CN107623192A - 一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，包括四个相同结构的串馈线阵以及由第一级T型功分器、第二级T型功分器构成的并馈功分网络，第一级T型功分器的输入端点为馈电点，输出端通过第二级T型功分器分别与各串馈线阵连接，第一级T型功分器的输出端分别通过一个连接组件连接至第二级T型功分器的输入端，使得将两级T型功分器之间的相位差向180°调整。本发明具有结构简单、所需成本低、能够实现端点馈电方式，且方向图特性好等优点。

Description

一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，尤其涉及一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线。

背景技术

微带串馈阵列天线由于结构简单、体积小、插损低、易于集成、低成本等优点，已广泛应用于24GHz和77GHz等车载雷达中。微带串馈阵列天线分为两种馈电方式，一种是中心馈电方式，即馈电点位于中间位置，将中心馈电方式结合并馈功分网络时，即由串馈线阵在中心反相馈电，通过并馈网络连接若干串馈线阵形成面阵，阵列馈电点位于阵中间位置，可以获得优良的方向图特性，但是该类方式对雷达MMIC（单片式微波集成电路）的走线方式有特定要求，如需天线位于底层、MMIC位于顶层，天线和射频电路之间通过金属化过孔互联，而如果MMIC与天线共面，则无法完成两者互联。

微带串馈阵列天线的另一种馈电方式是端点馈电方式，即馈电点位于端点位置，将端点馈电方式结合并馈功分网络（并联馈电功分网络）时，即由串馈线阵在线阵末端馈电，通过并馈网络连接串馈线阵形成面阵，阵列馈电点位于阵面的端点，MMIC和天线在同一层通过简单的走线即可实现射频互联，可以解决中心馈电方式的上述问题，但是上述端点馈电方式中，由于结合并馈功分网络，而并馈功分网络具有不连续性，且在24GHz和77GHz会产生显著的杂散辐射，使阵列辐射方向图恶化，而导致天线方向图主瓣不对称，以及副瓣电平大于理想阵列设计值等问题。

现有技术中基于端点馈电方式结合并馈功分网络的微带结构如图1所示，并馈网络包括两级T型功分器，前一级T型功分器包括一个T型结、后一级T型功分器包括两个T型结，阵列馈电点位于阵面的端点位置P’（前一级T型功分器的输入端点），前一级T型功分器的输出端直接通过一条水平传输线连接后一级T型功分器。由于T型结为并联馈电功分网络的主要辐射源，如图1所示前后两级T型功分器直接通过水平传输线连接，并联馈电功分网络可以等效于一个由三个辐射源构成的线阵，且中间辐射源的辐射强度为两边辐射源强度的和，使得并联馈电功分网络具有不连续性，当在24GHz和77GHz时会产生显著的杂散辐射，从而影响天线的方向图特性。

因此亟需提供一种可以实现端点馈电，同时方向图特性好的微带串馈面阵，以提高微带串馈阵列天线的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、所需成本低、能够实现端点馈电方式，且方向图特性好的一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，包括四个相同结构的串馈线阵以及由第一级T型功分器、第二级T型功分器构成的并馈功分网络，所述第一级T型功分器的输入端点为馈电点，输出端通过所述第二级T型功分器分别与各所述串馈线阵连接，所述第一级T型功分器的输出端分别通过一个连接组件连接至所述第二级T型功分器的输入端，使得将两级T型功分器之间的相位差向180°调整。

作为本发明的进一步改进：所述第一级T型功分器中 T型结通过所述弯折延时线与所述第二级T型功分器中T型结形成共线设置，或分别处于间距在指定范围内的两条水平线上以形成近似共线设置。

作为本发明的进一步改进：所述连接组件为具有弯折部的弯折延时线。

作为本发明的进一步改进：所述弯折部由两条传输线按照指定角度连接构成或由一条弧状传输线构成。

作为本发明的进一步改进：所述弯折部所形成的第一角度θ₁、以及所述弯折部与所述第一级T型功分器连接所构成的第二角度θ₂的角度大小为100°～150°，所述弯折部与所述第二级T型功分器连接所构成的第三角度θ₃为直角。

作为本发明的进一步改进：所述第一级T型功分器和/或所述第二级T型功分器中T型结的输出直角部分为进行切角处理后得到的直角截面结构。

作为本发明的进一步改进：所述第一级T型功分器和/或所述第二级T型功分器中T型结具有梯形凹槽。

作为本发明的进一步改进：所述第一级T型功分器和/或第二级T型功分器中阻抗匹配段的长度为四分之一介质波长。

作为本发明的进一步改进：所述串馈线阵、所述并馈功分网络所构成的微带结构设置于基板的上表面，所述基板的下表面形成有地。

作为本发明的进一步改进：所述串馈线阵包括馈电传输线以及按照相同间距通过所述馈电传输线连接的多个辐射贴片单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，结合并馈功分网络实现端点馈电方式，便于进行走线、布线以实现射频互联，同时并馈功分网络中两级T型功分器之间通过一个连接组件连接，使得两级T型功分器之间的相位差向180°调整，当相位差为180°时能够使得达到两级T型功分器处的馈电信号互为反相，从而并馈功分网络会在串馈线阵的E面形成零陷方向图，大幅减小了并馈功分网络对串馈阵列的E面方向图的影响，能够有效改善方向图特性，提高微带串馈阵列天线的性能；

2）本发明结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，进一步第一级T型功分器中 T型结与第二级T型功分器中T型结形成共线设置，实现简单、所需成本低，且可以有效的控制使得两级T型功分器之间的相位差为180°，保证馈电信号从馈电点处到达第二级功分器的T型结的相位差为180；

3）本发明结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，进一步连接组件具体采用弯折延时线，弯折延时线中弯折部形成第一角度、弯折部与第一级T型功分器连接构成第二角度、弯折部与第二级T型功分器连接构成第三角度，通过调整各角度大小可以方便使得两级T型功分器成共线设置，结构简单、易于实现，成本低且能够有效使得两级T型功分器之间的相位差向180°调整，保证馈电信号从馈电点处到达第二级功分器的T型结的相位差为180°。

附图说明

图1是现有技术中结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线的结构原理示意图。

图2是本实施例微带串馈阵列天线的结构原理示意图。

图3是本实施例微带串馈阵列天线的具体结构示意图。

图4是本实施例并馈功分网络的具体结构示意图。

图5是本实施例弯折延时线的结构示意图。

图6是本实施例弯折延时线另一种结构示意图。

图7是本实施例串馈线阵的具体结构示意图。

图8是采用本发明微带串馈阵列天线与传统天线得到的S11仿真结果对比示意图。

图9是本发明微带串馈阵列天线与传统天线得到的中心频率处E面方向图的仿真结果对比示意图。

图例说明：1、基板；2、微带结构；21、并馈功分网络； 211、第一级T型功分器；212、第二级T型功分器；213、连接组件；22、串馈线阵；3、地；4、弯折部。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2～4所示，本实施例结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线包括四个相同结构的串馈线阵22以及由第一级T型功分器211、第二级T型功分器212构成的并馈功分网络21，并馈功分网络21以及串馈线阵22构成微带结构2，串馈线阵22在线阵末端馈电，通过并馈功分网络21连接串馈线阵22形成面阵，第一级T型功分器211的输入端点P为馈电点，即阵列馈电点位于阵面的端点位置P，第一级T型功分器211的输出端通过第二级T型功分器212分别与各串馈线阵22连接，第一级T型功分器211的输出端分别通过一个连接组件213连接至第二级T型功分器212的输入端，使得将两级T型功分器之间的相位差向180°调整。

本实施例采用上述结构，可以实现端点馈电方式，便于进行走线、布线以实现射频互联，同时通过连接组件213使得第一级T型功分器211、第二级T型功分器212之间的相位差向180°调整，由于并馈功分网络21可以等效于一个由三个辐射源构成的线阵，且中间辐射源的辐射强度是两边辐射源强度的和，则第一级T型功分器211、第二级T型功分器212两级T型功分器之间的相位差为180°时，则能够使得达到第一级T型功分器211、第二级T型功分器212处的馈电信号互为反相，从而并馈功分网络21会在串馈线阵22的E面形成零陷方向图，由方向图叠加原理可知，并馈功分网络21对串馈线阵22的E面方向图的影响会大幅减小，能够有效改善方向图特性，提高微带串馈阵列天线的性能。

本实施例具体通过连接组件213使得两级T型功分器之间的相位差向180°调整，当控制两级T型功分器之间的相位差达到180°时，改善方向图特性的效果最佳，偏离180°越远，则改善方向图特性的效果也越差，实际可综合实现难度、精度需求等通过连接组件213使得两级T型功分器之间的相位差在[180-45，180+45]范围内。

如图2、4所示，本实施例第一级T型功分器211具体包括一个T型结2111，第二级功分器212包括两个T型结（21211、21221），第一级T型功分器211中T型结2111的输出端分别连接第二级功分器212中两个T型结（21211、21221）的输入端，第二级功分器212中两个T型结（21211、21221）的四个输出端分别连接四个串馈线阵22的输入端；第一级T型功分器211的两个输出端口分别通过一个连接组件213与两个第二级T型功分器222的输入端口相连，两个连接组件213分别为第一连接组件2131、第二连接组件2132，使得将第一级T型功分器211中T型结2111与第二级T型功分器212中T型结（21211、21221）的相位差控制在180°。本实施例并馈功分网络21关于第一级T型功分器211的中轴垂直线对称，四个输出端口的间距相同，且第一级T型功分器211的T型结2111与第二级T型功分器212的T型结（21211、21221）为共线设置，即第一级T型功分器211的T型结2111和第二级T型功分器212的两个T型结（21211、21221）位于同一水平线上，通过将两级T型功分器形成共线设置，能够使得两级T型功分器之间的相位差控制在180°，保证馈电信号从馈电点处到达第二级功分器的T型结的相位差为180。当然在其他实施例中，还可以根据实际实现难度、需求等，第一级T型功分器211的T型结2111与第二级T型功分器212的T型结（21211、21221）之间分别处于间距在指定范围内的两条水平线上以形成近似共线设置，可以提高方向图特性，同时降低实现难度。

如上所述，由于并馈功分网络21可以等效于一个由三个辐射源构成的线阵，且中间辐射源的辐射强度是两边辐射源强度的和，本实施例通过连接组件213使得第一级T型功分器211、第二级T型功分器212两级T型功分器之间的相位差向180°调整，则能够使得达到第一级T型功分器211中T型结2111和第二级T型功分器212中T型结（21211、21221）处的馈电信号反相，从而并馈功分网络21会在串馈线阵22的E面形成零陷方向图，大幅减少了并馈功分网络21对串馈线阵22的E面方向图的影响，有效提高了天线方向图特性。

如图2所示，本实施例串馈线阵22、并馈功分网络21所构成的微带结构2设置于基板1的上表面，基板1的下表面形成有地3。微带结构2具体由金属箔形成，通过激光刻制或者电路板腐蚀等PCB加工工艺制作在基板1的上表面，在基板1的下表面由金属箔形成地3，基板1具体可以为双面覆铜的介质基板，介电常数、厚度可根据实际需求设定。

本实施例中，连接组件213具体为具有弯折部4的弯折延时线，第一级T型功分器211中 T型结通过弯折延时线与第二级T型功分器212中T型结形成共线设置，使得第一级T型功分器211与第二级T型功分器212中T型结的相位差调整为180°。如图2所示，本实施例第一级T型功分器211的两个输出端口分别通过一段弯折延时线2131、一段弯折延时线2132与两个第二级T型功分器212的输入端口相连，通过弯折延时线2131、弯折延时线2132将两级T型功分器形成共线设置，从而使得第一级T型功分器211与第二级T型功分器212中T型结的相位差调整为180°。

本实施例中，弯折延时线中输入传输线和输出传输线相互垂直，可以使得输入传输线与输出传输线之间的相位差为180°。

如图5所示，本实施例弯折延时线中弯折部4为由两条传输线按照指定角度连接构成，对应于第二级T型功分器212两个T型结的弯折延时线2131和弯折延时线2132的结构相同，且关于第一级T型功分器211的垂直线对称。以弯折延时线2131为例，如图4所示，弯折延时线2131包括传输线21311、21312以及三个拐角：第一角度θ₁、第二角度θ₂以及第三角度θ₃，传输线21311、21312按照第一角度θ₁连接形成弯折部4，第二角度θ₂为弯折部4与第一级T型功分器211连接所构成的角度，第三角度θ₃为弯折部4与第二级T型功分器212连接所构成的角度，通过调整各拐角大小可以方便使得两级T型功分器成共线设置，有效控制使得两级T型功分器之间的相位差向180°调整，从而使馈电信号从馈电点P处到达T型结2111和T型结21211（21221）的相位差为180°。本实施例第一角度θ₁、第二角度θ₂大小相同且具体为120°，也可根据实际需求设置为100°～150°范围内其他角度大小，第三角度θ₃为直角。

本实施例中弯折延时线还可以采用如图6所示另一种结构，即弯折部4由一条弧状传输线构成，与如图5所示原理相同的，该种结构中，弯折部4所形成的第一角度θ₁、以及弯折部4与第一级T型功分器211连接所构成的第二角度θ₂可以根据实际需求设置为100°～150°，弯折部4与第二级T型功分器212连接所构成的第三角度θ₃为直角。

当然在其他实施例中，连接组件213还可以采用除上述两种结构外的其他弯折延时线结构或其他连接结构，以使得并馈功分网络21中两级T型功分器的相位差为180°。

本实施例中T型功分器具体由T型结、传输线以及阻抗匹配段构成，如图2、4所示，第一级T型功分器211由T型结2111、传输线2112以及阻抗匹配段2113构成，传输线2112的特性阻抗为50Ω，使得第一级T型功分器211的输出端口可以匹配到50Ω，经过一段50Ω传输线至天线馈电点P；第二级T型功分器2121/2122由T型结21211/21221、传输线21212/21222以及阻抗匹配段21213/21223构成，传输线21212/21222的特性阻抗为50Ω，使得第二级T型功分器2121的输出端口可以匹配到50Ω。

本实施例中，第一级T型功分器211和第二级T型功分器212中T型结的输出直角部分为进行切角处理后得到的直角截面结构，即并馈功分网络21的传输线在90°拐角处做均做切角处理切掉一个等边直角三角形，如图5、6所示，具体分别在第一角度θ₁、第二角度θ₂以及第三角度θ₃上做切角处理，以抵消不连续性引入的电抗效应。当然也可以根据实际需求在指定角度做切角处理。

本实施例中，第一级T型功分器211和第二级T型功分器212中T型结具有梯形凹槽，即第一级T型功分器211和第二级T型功分器212在T型结位置挖去一个梯形槽形成梯形凹槽，以抵消不连续性引入的电抗效应。当然也可以根据实际需求选择指定个T型结形成梯形凹槽结构。

本实施例中，第一级T型功分器211和第二级T型功分器212中阻抗匹配段的长度为四分之一介质波长，即第一级T型功分器211和第二级T型功分器212均在T型结点处通过一段四分之一介质波长的阻抗变化段实现阻抗匹配，第一级T型功分器211和第二级T型功分器212中阻抗匹配段的长度也可以根据实际需求进行设定。

本实施例中串馈线阵22由四个相同的串馈线阵221、222、223和224构成，每个串馈线阵22由一条馈电传输线连接N个宽度具有预定值的辐射贴片单元，相邻单元的间距具有预定的值。如图2、7所示，本实施例每个串馈线阵22由5个辐射贴片2211、连接辐射贴片的传输线2212以及阻抗变换段2213构成，相邻串馈线阵22间距与并馈功分网络21的输出端口间距相同。串馈线阵22中各辐射贴片的宽度可以按特定比例实现等相不等幅的馈电幅度销削分布；传输线2212的特性阻抗为50Ω，以通过阻抗变换线将串馈线阵22的输入阻抗匹配到50Ω。串馈线阵22具体根据雷达系统的工作频率、PCB板材参数、方向图波束宽度以及副瓣电平确定辐射单元数量、各辐射单元尺寸以及辐射单元间距。

为验证本发明的有效性，将本发明上述结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线与如图1所示传统的微带串馈阵列天线进行试验，如图8为试验得到的S11仿真结果对比图，其中采用本发明上述天线的中心频率为24.15GHz，-10dB阻抗带宽为0.38GHz，传统天线的中心频率为24.15GHz，-10dB阻抗带宽为0.34GHz。由图8可以看出，相对于传统天线，本发明微带串馈阵列天线的S11能够基本保持不变；如图9为试验得到的中心频率处E面方向图的仿真结果对比图，由图可以看出，相对于传统天线，本发明天线的方向图的对称性得到了大幅改善，副瓣电平降低了7.6dB。本发明结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，能够在阻抗带宽基本不变的条件下，大幅改善辐射方向图对称性和副瓣抑制比，具有优良的方向图特性。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，包括四个相同结构的串馈线阵（22）以及由第一级T型功分器（211）、第二级T型功分器（212）构成的并馈功分网络（21），所述第一级T型功分器（211）的输入端点为馈电点，输出端通过所述第二级T型功分器（212）分别与各所述串馈线阵（22）连接，其特征在于：所述第一级T型功分器（211）的输出端分别通过一个连接组件（213）连接至所述第二级T型功分器（212）的输入端，使得将两级T型功分器之间的相位差向180°调整。

2.根据权利要求1所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述第一级T型功分器（211）中 T型结通过所述连接组件（213）与所述第二级T型功分器（212）中T型结形成共线设置，或分别处于间距在指定范围内的两条水平线上以形成近似共线设置。

3.根据权利要求2所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述连接组件（213）为具有弯折部（4）的弯折延时线。

4.根据权利要求3所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述弯折部（4）由两条传输线按照指定角度连接构成或由一条弧状传输线构成。

5.根据权利要求4所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述弯折部（4）所形成的第一角度θ₁、以及所述弯折部（4）与所述第一级T型功分器（211）连接所构成的第二角度θ₂的角度大小为100°～150°，所述弯折部（4）与所述第二级T型功分器（212）连接所构成的第三角度θ₃为直角。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述第一级T型功分器（211）和/或所述第二级T型功分器（212）中T型结的输出直角部分为进行切角处理后得到的直角截面结构。

7.根据权利要求6所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述第一级T型功分器（211）和/或所述第二级T型功分器（212）中T型结具有梯形凹槽。

8.根据权利要求1～5中任意一项所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述第一级T型功分器（211）和/或第二级T型功分器（212）中阻抗匹配段的长度为四分之一介质波长。

9.根据权利要求1～5中任意一项所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于：所述串馈线阵（22）、所述并馈功分网络（21）所构成的微带结构（2）设置于基板（1）的上表面，所述基板（1）的下表面形成有地（3）。

10.根据权利要求1～5中任意一项所述的结合并馈功分网络的微带串馈阵列天线，其特征在于，所述串馈线阵（22）包括馈电传输线以及按照相同间距通过所述馈电传输线连接的多个辐射贴片单元。