CN108987920A - 一种背馈式24GHz毫米波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，形成于一PCB板，包括：一馈电芯线，穿设于所述PCB板；第一、第二串馈线阵，对称设置于所述PCB板顶层的所述馈电芯线两侧，所述每串馈线阵包括一馈电传输线连接N个辐射贴片单元；倒相器，设置于所述馈电芯线与任一所述串馈线阵之间。本发明围绕低成本小型化汽车防撞雷达天线展开，利用PCB板构建了微带天线的同轴芯线结构，实现了低成本小型化，最大程度减少天线对成本的影响。

Description

一种背馈式24GHz毫米波阵列天线
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其是一种背馈式24GHz毫米波阵列天线。
背景技术
在军用或民用的许多探测系统或通信系统中，都很需要具有较低旁瓣和后瓣电平的中等增益天线。微带天线由于具有平面结构，所以与常见的抛物面或反射式等形式的天线相比，体积小、重量轻，平面薄板结构易于安装，很容易满足飞机、导弹、卫星和车辆等共形天线的设计要求，而且成本低、效率较高。
随着国内经济的发展，汽车保有量逐年增加，高速交通安全形势愈加严峻，积极发展汽车防撞雷达系统为驾驶员提供危险预警，可避免大量的人员伤亡和财产损失。
在毫米波领域，微带阵列天线以其低成本，高增益的特点得到广泛应用。
传统阵列天线按照馈电方式可分为并联馈电和串联馈电。并联馈电的优点是，天线阵体积小，同样面积可以布置更多的阵元，实现更高的增益；缺点是馈电网络设计复杂，加工难度大，成本高。串联馈电的优点是馈电结构简单，设计周期短，成本低；缺点在于阵列尺寸较大。
依据以上现状，迫切需要一种低成本，开发周期短，增益高的天线以满足工业需求。
发明内容
应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本公开提供进一步的解释。
针对上述问题，本发明提供一种基于串联馈电阵列，使用简化的同轴馈电，直接给天线馈电。通过设计各天线单元的长度，宽度，间距等，赋形天线方向图。
本发明公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，形成于一PCB板，其特征在于，包括：
一馈电芯线，穿设于所述PCB板；
第一、第二串馈线阵，对称设置于所述PCB板顶层的所述馈电芯线两侧，所述每串馈线阵包括一馈电传输线连接N个辐射贴片单元；
倒相器，设置于所述馈电芯线与任一所述串馈线阵之间。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述馈电芯线穿设所述PCB板内的金属层区域为金属挖空区。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述倒相器为180°倒相器。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述PCB板的金属层数≥4。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述PCB板的介电常数≤3.66，第一介质层厚度≤0.508毫米。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述金属层挖空区的半径R和馈电芯线半径r关系为：
R≥2.3r。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述两串馈线阵中各个辐射单元相对所述馈电芯线等距排列、大小对称。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述两串馈线阵中各个辐射单元的宽度是长度1.5倍。
比较好的是，本发明进一步公开了一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片单元的个数N≥2。
通过上述方案，利用PCB板构建了微带天线的同轴芯线结构，实现了低成本小型化，最大程度减少天线对成本的影响。
附图说明
现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。
下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
图1是本发明实施例的阵列天线具体结构示意图；
图2是图1中于B处A-A剖视结构示意图；
图3是采用本发明实施例的阵列天线的仿真效果图；
图4是采用本发明实施例的阵列天线的实测效果图。
附图标记
1～8－―－辐射单元
9－―馈电芯线
10――倒相器
11――第二金属层
12――第一介质层
13――第二介质层
14――第三介质层
15――第一金属层
16――第四金属层
17――第三金属层
91――馈电点
100――第一串馈线阵
200――第二串馈线阵
具体实施方式
本说明书公开了结合本发明特征的一或多个实施例。所公开的实施例仅仅例示本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附的权利要求是来限定。
说明书中引用的“一个实施例”、“一实施例”、“一示例性实施例”等等表明所述的实施例可以包括特殊特征、结构或特性，但所有实施例不必包含该特殊特征、结构或特性。此外，这些短语不必涉及相同的实施例。此外，在联系一实施例描述特殊特征、机构或特性时，就认为联系其他实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识范围之内。
此外，应理解，这里使用的空间描述(例如，之上、之下、上方、左边、右边、下方、顶部、底部、垂直、水平等等)仅用于说明的目的，且这里所描述的结构的实际实现方式可以是按任何定向或方式来在空间上排列。
本发明的背馈式24GHz毫米波阵列天线设置在PCB板内，采用≥4层的PCB板，图2所示的一较佳实施例所采用的是4层PCB板的结构，其中自下向上依次包括有第一金属层15、第三介质层14、第二金属层11、第二介质层13、第三金属层17、第一介质层12和第四金属层16。
本发明的微带天线中的两串馈线阵100和200位于该PCB板的顶层，即对应图示中的第四金属层16。
考虑到不同介质厚度和介质材料对天线能量的衰减不同，因此为减小PCB板材对天线方向图的影响，对PCB板板材的要求还包括DK小于等于3.66，第一介质层12厚度小于等于0.508毫米。
回到图1所示的阵列天线具体结构示意图。
本发明的背馈式阵列天线采用中间馈电结构，即馈电芯线9设置在整个天线结构中央，于馈电芯线9的两端对称设置布置两组串馈线阵100和200，图1中示例的是两串馈线阵所包括的辐射单元1～8，其中第一串馈线阵包括辐射单元1～4，第二串馈线阵包括辐射单元5～8，该辐射单元1～8由图2所示的第四金属层16构成。
组成两串馈线阵的8个不同宽度的辐射单元等距排列，且大小对称，即辐射单元1、8大小相同，辐射单元2、7大小相同，辐射单元3、6大小相同，辐射单元4、5大小相同。辐射单元4通过倒相器10与馈电芯线9连接，馈电芯线9与辐射单元5相连。
需要说明的是，组成微带天线的各个辐射单元在尺寸上需要满足：宽度是长度1.5倍。
本发明的背馈式阵列天线，实际是利用特定的PCB板构建一个天线的同轴线，其馈电点91设置在该PCB板的底面，图2进一步示意了该构建的结构。
图2给出了图1中于馈电芯线9位置的B处的A-A剖视结构示意图。之前已经结合图2介绍了该PCB板分层的具体结构。为构建本发明的阵列天线的同轴线，该馈电芯线9穿设于该PCB板，该PCB板上局部铺铜区域避让，如，第一金属层15、第二金属层11和第三金属层17挖空，由此，馈电芯线9由PCB板背面穿出顶层，与第四金属层16相连，从而可以将由背部馈电传输到顶层的各辐射单元。
需要特别说明的是，以50欧姆馈电为例，以馈电芯线9的中心为中心线，第一、第二、第三金属层15、11和17的挖空区域半径R和该馈电芯线9的半径r需要满足：R≥2.3r。
当信号从馈电芯线9进入顶层的辐射单元，由于两组辐射单元左右对称分布，图1所示的天线左侧第一组辐射单元1～4和右侧第二组辐射单元5～8接收的电流相反，本发明在此采用了一个倒相器10，该倒相器10可以设计在左右任一侧，但与天线的辐射单元同侧，通过该倒相器10，使两端电流同向，从而使得合成图最优。
比较好的一种实现方式是，倒相器10采用180°倒相器。
为满足系统对副瓣的要求，本发明的微带天线的各个辐射单元1～8宽度采用切比雪夫分布0.2622:0.5187:0.812:1:1:0.812:0.5187:0.2622，以抑制副瓣。优化后各辐射单元宽度为：W1＝1.4mm；W2＝2.6mm；W3＝3.8mm；W4＝4.3mm；W5＝4.3mm；W6＝3.8mm；W7＝2.6mm；W8＝1.4mm。
上述实施例采用的辐射单元是8个，通常情况下，对该辐射单元数量要求为：≥2，即左右每组串线馈线至少包括2个辐射单元。
此外，图1是以发射天线作为示例，这种结构也完全可以适用于接收天线。
图3是采用本发明实施例的阵列天线的仿真效果图；由此表明：
1)带内回波损耗S11<-15dB
2)发射天线与接收天线隔离度<-25dB
图4是采用本发明实施例的阵列天线的实测效果图。实测结果如下：
1)带内回波损耗<-10dB；
2)发射天线与接收天线隔离度<-40dB
综上所述，本发明围绕低成本小型化汽车防撞雷达天线展开，通过上述方案，利用PCB板构建了微带天线的同轴芯线结构，实现了低成本小型化，最大程度减少天线对成本的影响。
此外，本发明选择串联馈电形式，利用天线设计参数估算阵元排布，完成收发阵列的设计，仿真结果达到指标要求。完成收发天线的驻波测试，结果初步达到设计要求，验证了本方案的合理性和可实现性，对接下来的改进和信号处理模块的设计提供了参照。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (9)

1.一种背馈式24GHz毫米波阵列天线，形成于一PCB板，其特征在于，包括：
一馈电芯线，穿设于所述PCB板；
第一、第二串馈线阵，对称设置于所述PCB板顶层的所述馈电芯线两侧，所述每串馈线阵包括一馈电传输线连接N个辐射贴片单元；
倒相器，设置于所述馈电芯线与任一所述串馈线阵之间。
2.根据权利要求1所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述馈电芯线穿设所述PCB板内的金属层区域为金属挖空区。
3.根据权利要求1所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述倒相器为180°倒相器。
4.根据权利要求1或2或3所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述PCB板的金属层数≥4。
5.根据权利要求4所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述PCB板的介电常数≤3.66，第一介质层厚度≤0.508毫米。
6.根据权利要求5所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述金属层挖空区的半径R和馈电芯线半径r关系为：
R≥2.3r。
7.根据权利要求1所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述两串馈线阵中各个辐射单元相对所述馈电芯线等距排列、大小对称。
8.根据权利要求7所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述两串馈线阵中各个辐射单元的宽度是长度1.5倍。
9.根据权利要求1所述的背馈式24GHz毫米波阵列天线，其特征在于，
所述辐射贴片单元的个数N≥2。
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