CN108808220A - 一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，本发明提出了包括第一介质基板、第二介质基板、矩形波导以及金属反射板,所述第一介质基板、第二介质基板以及金属反射板由上至下依次设置且相邻两层之间设有空气隔离层，所述第一介质基板上表面设有4*4共16个子辐射单元，所述第二介质基板上表面为金属接地板，设有16个同一指向的H型缝隙，且H型缝隙中心与上述子辐射单元中心一一对应，激励位于基板侧面，由探针插入波导内部，从而以波导进行馈电。本发明子辐射单元采用矩形贴片具有很好的对称性，并且制作简单。

Description

一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术，特别涉及一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线。
背景技术
微带天线与传统天线相比，有着许多无可替代的优点。它体积小，重量轻，剖面低、结构紧凑、性能稳定的特点，广泛应用于雷达和通信领域。1985年，Pozar提出了一种采用矩形缝隙进行耦合馈电的微带天线，这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层，消除了相互之间的影响，并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。但是，它的带宽较窄，在很多场合限制了它的应用。为了有效的拓展微带天线带宽，国内外进行了大量研究，如采用多层贴片结构、采用介电常数接近1.0的泡沫或者空气介质支撑材料、改变馈电结构和缝隙结构等。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，解决传统微带阵列天线频带窄、增益低等缺点。
实现本发明的技术解决方案为：一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，包括第一介质基板、第二介质基板、矩形波导以及金属反射板,所述第一介质基板、第二介质基板以及金属反射板由上至下依次设置且相邻两层之间设有空气隔离层，所述第一介质基板上表面设有4*4共16个子辐射单元，所述第二介质基板上表面为金属接地板，设有16个同一指向的H型缝隙，且H型缝隙中心与上述子辐射单元中心一一对应，所述第二介质基板下表面设有与子辐射单元对应的功分馈电网络，功分馈电网络输出端的微带线通过H型缝隙对对应的子辐射单元进行能量耦合，输入端从第二介质板侧面引出，由四分之一波长阻抗变换器过渡到微带探针，微带探针由波导宽边中心插入波导内腔，第二介质板侧面延伸出一部分作为探针基板，且该探针基板由波导宽边中心深入到波导内腔，探针基板插入的波导壁上开设有金属腔，波导底部设有短路面，从顶部进行馈电。
优选地，所述功分馈电网络包括8个一分二T型结构功分器、两个第二级功分器以及一个第一级功分器，同一排相邻两个子辐射单元为一组辐射单元，一分二T型结功分器作为同一组内的两个子辐射单元间的馈电网络，相邻两排的两组辐射单元的一分二T型结功分器的输入端口连接，该连接点通过90度弧形传输线与第二级功分器的输出端连接，两个第二级功分器的输入端连接，该连接点与第一级功分器的输出端连接，第一级功分器的输入端即为功分馈电网络的输入端。
优选地，所述第一介质基板、第二介质基板的材料均为Rogers Ro 5880，介电常数为2.2，厚度为0.254mm。
优选地，空气隔离层厚度为1mm。
优选地，相邻两个子辐射单元间距ds＝6.5mm。
优选地，所述子辐射单元为矩形辐射贴片长度L＝2.6mm，宽度W＝3.3mm。
优选地，H型缝隙长度La＝Lb＝1.2mm，宽度Wa＝Wb＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线超出缝隙的长度Ls＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线宽度W1＝0.78mm。
优选地，所述微带探针距离波导的短路面2.5mm，且探针的宽度W100＝0.25mm，长度l1＝1.97mm，四分之一波长阻抗转换器的宽度W70＝0.45mm，长度l2＝1.5mm。
优选地，所述的探针基板宽度为3mm，长度4.56mm，金属腔宽度为3mm，高度为1.5mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明子辐射单元采用矩形贴片具有很好的对称性，并且制作简单；(2)本发明通过子辐射单元与接地板上的缝隙耦合获得较宽的带宽；(3)本发明将传统的T型结功分器中增加一段弧形传输线，增加整个天线结构的紧凑性；(4)本发明下层增加金属板抑制后向辐射，使天线效率提高。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明整体结构图。
图2为子辐射单元的工作方式示意图。
图3为本发明三视图。
图4为波导微带转接头与过渡探针示意图。
图5为本发明二维方向图。
图6为本发明回波损耗图。
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。
具体实施方式
一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，包括第一介质基板、第二介质基板、矩形波导以及金属反射板,所述第一介质基板、第二介质基板以及金属反射板由上至下依次设置且相邻两层之间设有空气隔离层，所述第一介质基板上表面设有4*4共16个子辐射单元，所述第二介质基板上表面为金属接地板，设有16个同一指向的H型缝隙，且H型缝隙中心与上述子辐射单元中心一一对应，所述第二介质基板下表面设有与子辐射单元对应的功分馈电网络，功分馈电网络输出端的微带线通过H型缝隙对对应的子辐射单元进行能量耦合，输入端从第二介质板侧面引出，由四分之一波长阻抗变换器过渡到微带探针，微带探针由波导宽边中心插入波导内腔，第二介质板侧面延伸出一部分作为探针基板，且该探针基板由波导宽边中心深入到波导内腔，探针基板插入的波导壁上开设有金属腔，波导底部设有短路面，从顶部进行馈电。
进一步的实施例中，所述功分馈电网络包括8个一分二T型结构功分器、两个第二级功分器以及一个第一级功分器，同一排相邻两个子辐射单元为一组辐射单元，一分二T型结功分器作为同一组内的两个子辐射单元间的馈电网络，相邻两排的两组辐射单元的一分二T型结功分器的输入端口连接，该连接点通过90度弧形传输线与第二级功分器的输出端连接，两个第二级功分器的输入端连接，该连接点与第一级功分器的输出端连接，第一级功分器的输入端即为功分馈电网络的输入端。
进一步的实施例中，所述第一介质基板、第二介质基板的材料均为RogersRo5880，介电常数为2.2，厚度为0.254mm。
进一步的实施例中，空气隔离层厚度为1mm。
进一步的实施例中，相邻两个子辐射单元间距ds＝6.5mm。
进一步的实施例中，所述子辐射单元为矩形辐射贴片长度L＝2.6mm，宽度W＝3.3mm。
进一步的实施例中，H型缝隙长度La＝Lb＝1.2mm，宽度Wa＝Wb＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线超出缝隙的长度Ls＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线宽度W1＝0.78mm。
进一步的实施例中，所述微带探针距离波导的短路面2.5mm，且探针的宽度W100＝0.25mm，长度l1＝1.97mm，四分之一波长阻抗转换器的宽度W70＝0.45mm，长度l2＝1.5mm。
进一步的实施例中，所述的探针基板宽度为3mm，长度4.56mm，金属腔宽度为3mm，高度为1.5mm。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，包括第一介质基板、第二介质基板、矩形波导以及金属反射板,所述第一介质基板、第二介质基板以及金属反射板由上至下依次设置且相邻两层之间设有空气隔离层，所述第一介质基板上表面设有4*4共16个子辐射单元，所述第二介质基板上表面为金属接地板，设有16个同一指向的H型缝隙，且H型缝隙中心与上述子辐射单元中心一一对应，所述第二介质基板下表面设有与子辐射单元对应的功分馈电网络，功分馈电网络输出端的微带线通过H型缝隙对对应的子辐射单元进行能量耦合，输入端从第二介质板侧面引出，由四分之一波长阻抗变换器过渡到微带探针，微带探针由波导宽边中心插入波导内腔，第二介质板侧面延伸出一部分作为探针基板，且该探针基板由波导宽边中心深入到波导内腔，探针基板插入的波导壁上开设有金属腔，波导底部设有短路面，从顶部进行馈电。
如图2所示，本实施例中，第一介质基板、第二介质基板的介质材料为Rogers5880，介电常数为2.2，厚度为0.254mm，隔离层为空气层，空气层厚度为1mm。第一介质基板上表面的矩形贴片长度L＝2.6mm，宽度W＝3.3mm，第二介质基板上表面金属接地板上的H型缝隙，长度La＝Lb＝1.2mm，宽度Wa＝Wb＝0.3mm，底部馈电网络的微带线超出缝隙的部分Ls＝0.3mm，50Ω微带线宽度W1＝0.78mm。
如图3所示，介质基板长度LG＝26mm，宽度WG＝26mm，单元间距ds＝6.5mm，波导总长度lab＝9.11mm，总宽度Wab＝5.56mm，波导长边b＝7.112mm，短边a＝3.556mm，波导高度h＝7mm。
如图4所示，本实施例采用波导对天线进行馈电，探针基板采用Rogers Ro5880，探针基板长度lt＝4.56mm，宽度Wt＝3mm，其上的金属腔宽度为3mm，高度为1.5mm，微带探针从波导宽边中心插入波导腔内部，探针距离短路面2.5mm，探针的宽度W100＝0.25mm，长度l1＝1.97mm，四分之一波长阻抗转换器宽度W70＝0.45mm，长度l2＝1.5mm。
能量由波导口馈入，经过微带线及功分馈电网络传输并通过H型缝隙耦合到辐射贴片。
本实施例中，采用矩形波导进行馈电，方便加工与测试，子辐射单元为矩形贴片，具有很好的对称性，加工简单，优化了馈电网络的设计，增加整个天线结构的紧凑性。利用H型缝隙耦合，拓展了带宽。图1为该宽频带微带阵列天线的结构图，图2为子辐射单元结构的工作方式图，图3为该该宽频带微带阵列天线的三视图，图4为波导微带转接头与过渡探针示意图。图5为天线的二维方向图，从图中可以看出，天线的增益为18.1dB，半功率波束宽度约为19°，图6为天线的回波损耗，从图中可以看出，本发明的谐振阻抗明显优于传统的微带阵列天线，阵列天线的带宽在30GHz～36.5GHz的范围内均小于-10dB，由此可见此微带阵列天线可以有效地提高阻抗带宽。

Claims (9)

1.一种采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，包括第一介质基板、第二介质基板、矩形波导以及金属反射板,所述第一介质基板、第二介质基板以及金属反射板由上至下依次设置且相邻两层之间设有空气隔离层，所述第一介质基板上表面设有4*4共16个子辐射单元，所述第二介质基板上表面为金属接地板，设有16个同一指向的H型缝隙，且H型缝隙中心与上述子辐射单元中心一一对应，所述第二介质基板下表面设有与子辐射单元对应的功分馈电网络，功分馈电网络输出端的微带线通过H型缝隙对对应的子辐射单元进行能量耦合，输入端从第二介质板侧面引出，由四分之一波长阻抗变换器过渡到微带探针，微带探针由波导宽边中心插入波导内腔，第二介质板侧面延伸出一部分作为探针基板，且该探针基板由波导宽边中心深入到波导内腔，探针基板插入的波导壁上开设有金属腔，波导底部设有短路面，从顶部进行馈电。
2.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，所述功分馈电网络包括8个一分二T型结构功分器、两个第二级功分器以及一个第一级功分器，同一排相邻两个子辐射单元为一组辐射单元，一分二T型结功分器作为同一组内的两个子辐射单元间的馈电网络，相邻两排的两组辐射单元的一分二T型结功分器的输入端口连接，该连接点通过90度弧形传输线与第二级功分器的输出端连接，两个第二级功分器的输入端连接，该连接点与第一级功分器的输出端连接，第一级功分器的输入端即为功分馈电网络的输入端。
3.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板的材料均为Rogers Ro 5880，介电常数为2.2，厚度为0.254mm。
4.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，空气隔离层厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，相邻两个子辐射单元间距ds＝6.5mm。
6.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，所述子辐射单元为矩形辐射贴片长度L＝2.6mm，宽度W＝3.3mm。
7.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，H型缝隙长度La＝Lb＝1.2mm，宽度Wa＝Wb＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线超出缝隙的长度Ls＝0.3mm，功分馈电网络输出端的微带线宽度W1＝0.78mm。
8.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，所述微带探针距离波导的短路面2.5mm，且探针的宽度W100＝0.25mm，长度l1＝1.97mm，四分之一波长阻抗转换器的宽度W70＝0.45mm，长度l2＝1.5mm。
9.根据权利要求1所述的采用波导馈电的宽频带微带阵列天线，其特征在于，所述的探针基板宽度为3mm，长度4.56mm，金属腔宽度为3mm，高度为1.5mm。
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