CN108963470A - 一种天线阵馈电网络 - Google Patents

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施灵华
陈建新
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Abstract

本发明公开了一种天线阵馈电网络，解决了现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题，该天线阵馈电网络包括：输入端口(11)、四个输出端口(21～24)、第一传输线(30)和分别与第一传输线(30)连接的四根耦合线(31～34)；输出端口(21～24)分别与四根耦合线(31～34)连接，输出信号相位依次为0°、180°、180°、0°。该天线阵馈电网络具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，同时实现了四个输出端口功率相等、相位依次相差180°的输出，能够满足较高辐射效率阵列天线的馈电网络等幅馈电输出的需求。

Description

一种天线阵馈电网络
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种天线阵馈电网络。
背景技术
近年来，阵列天线发展迅速，形式多种多样，有赋形天线阵、相控阵、低副瓣天线阵等，在设计应用中，阵列天线的馈电网络是天线设计的重要组成部分之一，尤其对阵列天线而言，要实现好的性能，需要良好的辐射单元，以及与辐射单元相配的馈电网络。
根据平面阵列天线理论可知，天线各单元激励幅度的均匀分布有利于提高天线阵的口径效率和方向性系数，因此，为了获得较高的阵列辐射效率，需要在馈电网络设计时尽可能实现等幅馈电输出。然而，现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的，缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题，提供了一种天线阵馈电网络，具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，同时实现了四个输出端口功率相等、相位依次相差180°的输出。
本发明实施例提供了一种天线阵馈电网络，包括：
输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、与所述输入端口连接的第一传输线；设置在所述第一传输线的一侧与所述第一传输线耦合的第一耦合线和第二耦合线，设置在所述第一传输线的另一侧与所述第一传输线耦合的第三耦合线和第四耦合线；
所述第一输出端口与所述第一耦合线连接，所述第一输出端口输出信号相位为0°；
所述第二输出端口与所述第二耦合线连接，所述第二输出端口输出信号相位为180°；
所述第三输出端口与所述第三耦合线连接，所述第三输出端口输出信号相位为180°；
所述第四输出端口与所述第四耦合线连接，所述第四输出端口输出信号相位为0°。
可选的，所述第一传输线为二分之一波长，所述第一耦合线、所述第二耦合线、所述第三耦合线和所述第四耦合线均为四分之一波长。
可选的，所述天线阵馈电网络包括：依次层叠设置的第一地层、第一金属层、第二地层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三地层、第五金属层、第四地层；
所述输入端口、所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口、所述第四输出端口和所述第一传输线设置在所述第三金属层上；
所述第一耦合线和所述第二耦合线对称分布在所述第二金属层上；
所述第三耦合线和所述第四耦合线对称分布在所述第四金属层上。
可选的，所述第一传输线、所述第一耦合线、所述第二耦合线、所述第三耦合线和所述第四耦合线为折叠状传输线且折叠方式相同，所述第一耦合线、所述第二耦合线、所述第三耦合线和所述第四耦合线平行等宽。
可选的，所述第一耦合线的一端与所述第二地层相连、另一端与所述第一输出端口相连；
所述第二耦合线的一端与所述第二地层相连、另一端与所述第二输出端口相连。
可选的，所述第一金属层上设置有第一延长枝节和第二延长枝节；
所述第一耦合线的另一端通过金属通孔与所述第一延长枝节的一端连接，所述第一延长枝节的另一端通过金属通孔与所述第一输出端口相连；
所述第二耦合线的另一端通过金属通孔与所述第二延长枝节的一端连接，所述第二延长枝节的另一端通过金属通孔与所述第二输出端口相连。
可选的，所述第三耦合线的一端与所述第三地层相连、另一端与所述第三输出端口相连；
所述第四耦合线的一端与所述第三地层相连、另一端与所述第四输出端口相连。
可选的，所述第五金属层上设置有第三延长枝节和第四延长枝节；
所述第三耦合线的另一端通过金属通孔与所述第三延长枝节的一端相连，所述第三延长枝节的另一端与所述第三输出端口相连；
所述第四耦合线的另一端通过金属通孔与所述第四延长枝节的一端连接，所述第四延长枝节的另一端通过金属通孔与所述第四输出端口相连。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于在本发明中，本发明实施例提供了一种天线阵馈电网络，包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、与所述输入端口连接的第一传输线；设置在所述第一传输线的一侧与所述第一传输线耦合的第一耦合线和第二耦合线，设置在所述第一传输线的另一侧与所述第一传输线耦合的第三耦合线和第四耦合线；所述第一输出端口与所述第一耦合线连接，所述第一输出端口输出信号相位为0°；所述第二输出端口与所述第二耦合线连接，所述第二输出端口输出信号相位为180°；所述第三输出端口与所述第三耦合线连接，所述第三输出端口输出信号相位为180°；所述第四输出端口与所述第四耦合线连接，所述第四输出端口输出信号相位为0°。有效地解决了现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题，提供的天线阵馈电网络，具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，同时实现了四个输出端口功率相等、相位依次相差180°的输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的等效电路图；
图2为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的结构示意图；
图3A为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的第一金属层的结构示意图；
图3B为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的第二金属层的结构示意图；
图3C为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的第三金属层的结构示意图；
图3D为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的第四金属层的结构示意图；
图3E为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络的第五金属层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络S参数的仿真和测试结果对比曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种天线阵馈电网络输出端口相位差的实测与仿真结果对比曲线图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种天线阵馈电网络，解决了现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题，该天线阵馈电网络具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，同时实现了四个输出端口功率相等、相位依次相差180°的输出，能够满足较高辐射效率阵列天线的馈电网络等幅馈电输出的需求。
本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例提供了一种天线阵馈电网络，包括：输入端口、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、与所述输入端口连接的第一传输线；设置在所述第一传输线的一侧与所述第一传输线耦合的第一耦合线和第二耦合线，设置在所述第一传输线的另一侧与所述第一传输线耦合的第三耦合线和第四耦合线；所述第一输出端口与所述第一耦合线连接，所述第一输出端口输出信号相位为0°；所述第二输出端口与所述第二耦合线连接，所述第二输出端口输出信号相位为180°；所述第三输出端口与所述第三耦合线连接，所述第三输出端口输出信号相位为180°；所述第四输出端口与所述第四耦合线连接，所述第四输出端口输出信号相位为0°。
可见，在本发明实施例中，天线阵馈电网络包括一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口输出信号功率相等、相位依次相差180°，该馈电网络具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，能够满足较高辐射效率阵列天线的馈电网络等幅馈电输出的需求。有效地解决了现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
请参考图1，本发明实施例提供了一种天线阵馈电网络，包括：
输入端口11、第一输出端口21、第二输出端口22、第三输出端口23、第四输出端口24、与输入端口11连接的第一传输线30；设置在第一传输线30的一侧与第一传输线30耦合的第一耦合线31和第二耦合线32，设置在第一传输线30的另一侧与第一传输线30耦合的第三耦合线33和第四耦合线34；
第一输出端口21与第一耦合线31连接，第一输出端口21输出信号相位为0°；
第二输出端口22与第二耦合线32连接，第二输出端口22输出信号相位为180°；
第三输出端口23与第三耦合线33连接，第三输出端口23输出信号相位为180°；
第四输出端口24与第四耦合线34连接，第四输出端口24输出信号相位为0°。
其中，第一传输线30为二分之一波长，第一耦合线31、第二耦合线32、第三耦合线33和第四耦合线34均为四分之一波长。
在具体实施过程中，低温共烧陶瓷(LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramic)作为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。基于LTCC工艺设计的天线阵馈电网络极大地减小了所占有的面积。
本申请一具体实施方案，基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺(介电常数5.9，损耗正切0.0027)，设计了一个天线阵馈电网络。请参考图2、图3A-图3E，所述天线阵馈电网络包括：依次层叠设置的第一地层G1、第一金属层M1、第二地层G2、第二金属层M2、第三金属层M3、第四金属层M4、第三地层G3、第五金属层M5、第四地层G4。
输入端口11、第一输出端口21、第二输出端口22、第三输出端口23、第四输出端口24和第一传输线30设置在第三金属层M3上；第一耦合线31和第二耦合线32对称分布在第二金属层M2上；第三耦合线33和第四耦合线34对称分布在第四金属层M4上。其中，第一传输线30、第一耦合线31、第二耦合线32、第三耦合线33和第四耦合线34为折叠状传输线且折叠方式相同，第一耦合线31、第二耦合线32、第三耦合线33和第四耦合线34平行等宽。
在具体实施过程中，仍请参考图2，在第一金属层M1和第二金属层M2之间设置中间地层G2，并在中间地层G2上设置有贯穿该地层的四个镂空区域(C1、C2、C3、C4)，用于使金属通孔(P1、P2、P3、P4)能够顺利穿过地层G2；其中，金属通孔P1、P2连接第一金属层M1和第三金属层M3，金属通孔P3、P4连接第一金属层M1和第二金属层M2。在第四金属层M4和第五金属层M5之间设置中间地层G3，并在中间地层G3上设置有贯穿该地层的四个镂空区域(C5、C6、C7、C8)，用于使金属通孔(P5、P6、P7、P8)能够顺利穿过地层G3；其中，金属通孔P5、P6连接第四金属层M4和第五金属层M5，金属通孔P7、P8连接第三金属层M3和第五金属层M5。
在具体实施过程中，仍请参考图2，第一耦合线31的一端通过金属通孔P31与第二地层G2相连、另一端与第一输出端口21相连；第二耦合线32的一端通过金属通孔P32与第二地层G2相连、另一端与第二输出端口22相连。
进一步，请参考图2和图3A，第一金属层M1上设置有第一延长枝节41和第二延长枝节42；第一耦合线31的另一端通过金属通孔P3与第一延长枝节41的一端连接，第一延长枝节41的另一端通过金属通孔P1与第一输出端口21相连，保证了位于第二金属层M2上的第一耦合线31与位于第三金属层M3上的第一输出端口21的连通；第二耦合线32的另一端通过金属通孔P4与第二延长枝节42的一端连接，第二延长枝节42的另一端通过金属通孔P2与第二输出端口22相连，保证了位于第二金属层M2上的第二耦合线32与位于第三金属层M3上的第二输出端口22的连通。
在具体实施过程中，仍请参考图2，第三耦合线33的一端通过金属通孔P33与第三地层G3相连、另一端与第三输出端口23相连；第四耦合线34的一端通过金属通孔P34与第三地层G3相连、另一端与第四输出端口24相连。
进一步，请参考图2和图3E，第五金属层M5上设置有第三延长枝节43和第四延长枝节44；第三耦合线33的另一端通过金属通孔P6与第三延长枝节43的一端相连，第三延长枝节43的另一端通过金属通孔P8与第三输出端口23相连，保证了位于第四金属层M4上的第三耦合线33与位于第三金属层M3上的第三输出端口23的连通；第四耦合线34的另一端通过金属通孔P5与第四延长枝节44的一端连接，第四延长枝节44的另一端通过金属通孔P7与第四输出端口24相连，保证了位于第四金属层M4上的第四耦合线34与位于第三金属层M3上的第四输出端口24的连通。
具体的，第一金属层M1上的第一延长枝节41、第二延长枝节42与第五金属层M5上的第三延长枝节43、第四延长枝节44分别平行等宽，且均起到了调整输出端口位置和相位延长的作用。
在本实施例中，经过LTCC工艺加工后，天线阵馈电网络表贴在测试电路板上进行测试。图4给出了天线阵馈电网络S参数仿真和测试结果对比图，从图4中可以看出其频率范围在2GHz～3GHz，幅度不平衡最大达到了0.75dB，仿真和测试结果吻合良好。图5给出了四个输出端口的相位在通带内的差值，可以看出相位的不平衡在±5°之内。其中，在图4和图5中，实心标识的为测试结果，空心标识的为仿真结果，S11表示信号从端口11输入且从端口11输出的S参数，S21表示信号从端口11输入从端口21输出的S参数，S31表示信号从端口11输入从端口22输出的S参数，S41表示信号从端口11输入从端口24输出的S参数，S51表示信号从端口11输入从端口23输出的S参数。
当然，在具体实施过程中，还可采用除LTCC之外的其他工艺来实现，本申请实施例不做具体限定。
总而言之，本申请实施例提出的天线阵馈电网络包括一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口输出信号功率相等、相位依次相差180°，该馈电网络具有高集成度的特点，工作带宽达到40％，能够满足较高辐射效率阵列天线的馈电网络等幅馈电输出的需求。有效地解决了现有技术中缺乏针对天线阵的高性能等幅馈电输出的馈电网络的技术问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种天线阵馈电网络，其特征在于，包括：
输入端口(11)、第一输出端口(21)、第二输出端口(22)、第三输出端口(23)、第四输出端口(24)、与所述输入端口(11)连接的第一传输线(30)；设置在所述第一传输线(30)的一侧与所述第一传输线(30)耦合的第一耦合线(31)和第二耦合线(32)，设置在所述第一传输线(30)的另一侧与所述第一传输线(30)耦合的第三耦合线(33)和第四耦合线(34)；
所述第一输出端口(21)与所述第一耦合线(31)连接，所述第一输出端口(21)输出信号相位为0°；
所述第二输出端口(22)与所述第二耦合线(32)连接，所述第二输出端口(22)输出信号相位为180°；
所述第三输出端口(23)与所述第三耦合线(33)连接，所述第三输出端口(23)输出信号相位为180°；
所述第四输出端口(24)与所述第四耦合线(34)连接，所述第四输出端口(24)输出信号相位为0°。
2.如权利要求1所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第一传输线(30)为二分之一波长，所述第一耦合线(31)、所述第二耦合线(32)、所述第三耦合线(33)和所述第四耦合线(34)均为四分之一波长。
3.如权利要求1所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述天线阵馈电网络包括：依次层叠设置的第一地层(G1)、第一金属层(M1)、第二地层(G2)、第二金属层(M2)、第三金属层(M3)、第四金属层(M4)、第三地层(G3)、第五金属层(M5)、第四地层(G4)；
所述输入端口(11)、所述第一输出端口(21)、所述第二输出端口(22)、所述第三输出端口(23)、所述第四输出端口(24)和所述第一传输线(30)设置在所述第三金属层(M3)上；
所述第一耦合线(31)和所述第二耦合线(32)对称分布在所述第二金属层(M2)上；
所述第三耦合线(33)和所述第四耦合线(34)对称分布在所述第四金属层(M4)上。
4.如权利要求1所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第一传输线(30)、所述第一耦合线(31)、所述第二耦合线(32)、所述第三耦合线(33)和所述第四耦合线(34)为折叠状传输线且折叠方式相同，所述第一耦合线(31)、所述第二耦合线(32)、所述第三耦合线(33)和所述第四耦合线(34)平行等宽。
5.如权利要求3所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第一耦合线(31)的一端与所述第二地层(G2)相连、另一端与所述第一输出端口(21)相连；
所述第二耦合线(32)的一端与所述第二地层(G2)相连、另一端与所述第二输出端口(22)相连。
6.如权利要求5所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第一金属层(M1)上设置有第一延长枝节(41)和第二延长枝节(42)；
所述第一耦合线(31)的另一端通过金属通孔与所述第一延长枝节(41)的一端连接，所述第一延长枝节(41)的另一端通过金属通孔与所述第一输出端口(21)相连；
所述第二耦合线(32)的另一端通过金属通孔与所述第二延长枝节(42)的一端连接，所述第二延长枝节(42)的另一端通过金属通孔与所述第二输出端口(22)相连。
7.如权利要求3所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第三耦合线(33)的一端与所述第三地层(G3)相连、另一端与所述第三输出端口(23)相连；
所述第四耦合线(34)的一端与所述第三地层(G3)相连、另一端与所述第四输出端口(24)相连。
8.如权利要求7所述的天线阵馈电网络，其特征在于，所述第五金属层(M5)上设置有第三延长枝节(43)和第四延长枝节(44)；
所述第三耦合线(33)的另一端通过金属通孔与所述第三延长枝节(43)的一端相连，所述第三延长枝节(43)的另一端与所述第三输出端口(23)相连；
所述第四耦合线(34)的另一端通过金属通孔与所述第四延长枝节(44)的一端连接，所述第四延长枝节(44)的另一端通过金属通孔与所述第四输出端口(24)相连。
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