CN110165413A - 天线系统、宽带微带天线和天线阵列 - Google Patents

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Abstract

公开了一种天线系统、宽带贴片天线和天线阵列。该天线系统包括：天线阵列和波导喇叭阵列。其中，天线阵列包括：矩形的介质材料基板；多个辐射贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上；多个耦合贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置；金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面与地之间形成预定厚度的空气层。其中，波导喇叭阵列的各个矩形波导的尺寸与辐射贴片的尺寸相同并且各个矩形波导与相应的辐射贴片耦合。利用上述方案，能够在小尺寸的情况下提高宽带微带天线的方向性。

Description

天线系统、宽带微带天线和天线阵列
本申请是于2013年8月15日提交的、申请号为“201310356878.4”、发明名称为“宽带微带天线和天线阵列”的申请的分案申请。
技术领域
本申请涉及微带天线，具体涉及宽带天线技术领域。
背景技术
在毫米波全息成像技术中，为了得到被测目标三维图像，必须通过一定带宽的频率扫描来获取完整的数据信息。在扫描系统中，收发天线位于最前端，负责向被测物体发射信号并接收从被测物体反射回来的信号，对系统集成的收发天线有以下几点要求：(1)体积小，便与集成；(2)方向性强，主波束方向正对被测物体；(3)宽频带，满足系统对频率带宽的要求。
在系统化集成中，对扫描收发天线有一系列的要求，从小型化、方向性、便于与系统整合等几点综合考虑，微带天线是一个非常好的选择。但普通的微带天线带宽普遍较窄，以电压驻波比＜2为标准计算，相对带宽一般＜10％。以频率中心为30GHz的天线为例，电压驻波比＜2的工作带宽为3GHz，这样的带宽远不能满足使用需求。
通常，微带天线增加带宽的几种方式如下：(1)降低等效电路Q值：(2)增大介质厚度，降低介质介电常数εr，增大介质损耗角正切tgδ等，这种方法使天线的损耗较大；(3)附加寄生贴片，或采用电磁耦合等；(4)设计阻抗匹配网络，但匹配网络大大增加了天线尺寸；(5)利用阵列技术。
通过上述不同的方式展宽频带一般都要以体积的增大或效率的下降，同时不同方式的展宽频带也使得天线的方向图发生相应的变化。
毫米波宽带天线已有多年的发展历史，相应的技术都有较完备的发展。但针对本文提出的方向性这点要求，同时扩展频带并有较强的方向性的技术并不常见，一般的扩展频带的方法中，常采用介质板开槽或加入寄生贴片技术，这些技术只能解决天线的带宽要求，其方向性较低。
发明内容
考虑到现有技术中存在的问题，提出了一种尺寸小，并且方向性强的天线系统、宽带微带天线和天线阵列。
在本发明的一个方面，提出了一种天线系统，包括：天线阵列和波导喇叭阵列。天线阵列包括：矩形的介质材料基板；多个辐射贴片，沿着所述介质材料基板的长度方向间隔地排列，并且形成在所述介质材料基板的上表面上；多个耦合贴片，与所述多个辐射贴片相应地设置，每个耦合贴片形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置；金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面的边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面和地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm。波导喇叭阵列包括矩形金属板，其中，沿着所述矩形金属板的长度方向在所述矩形金属板上加工出的截面为矩形的多个孔，每个孔下段形成矩形波导，每个孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金属板的上表面上所述孔的两侧形成预定深度的沿着所述多个孔的排列方向延伸的沟槽。其中，所述波导喇叭阵列的各个矩形波导的尺寸与所述辐射贴片的尺寸相同并且各个矩形波导与相应的辐射贴片耦合。
优选地，所述金属支撑件由铜形成。
优选地，所述预定距离为0.4mm-0.5mm。
优选地，所述耦合贴片的长度为1.5mm-2.5mm，宽度为0.5mm-1.2mm。
优选地，辐射贴片的长度为4.0mm-5.0mm，宽度为2.0mm-3.0mm。
优选地，所述宽带贴片天线工作在K-Ka波段。
优选地，所述的宽带贴片天线还包括与所述耦合贴片连接的微带馈线。
优选地，所述金属支撑件具体为铜板，设置在所述介质材料基板的两边。
优选地，所述铜板的宽度为0.4mm-0.6mm。
在本发明的一个方面，提出了一种宽带贴片天线，包括：矩形的介质材料基板，所述矩形的介质材料基板的长度为6.5mm-8.5mm，宽度为5mm-7mm；矩形的辐射贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，所述矩形的辐射贴片的长度为4mm-5mm，宽度为2mm-3mm；耦合贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离所述辐射贴片预定距离的位置；金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面与地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm，天线的VSWR小于2的阻抗带宽为10Ghz，中心带宽为28Ghz，相对带宽为35.7％。
在本发明的另一方面，提出了一种天线阵列，包括：矩形的介质材料基板，所述矩形的介质材料基板的长度为6.5mm-8.5mm，宽度为5mm-7mm；多个矩形的辐射贴片，沿着所述介质材料基板的长度方向间隔地排列，并且形成在所述介质材料基板的上表面上，所述矩形的辐射贴片的长度为4mm-5mm，宽度为2mm-3mm；多个耦合贴片，与所述多个辐射贴片相应地设置，每个耦合贴片形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置；金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面的边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面和地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm。
利用上述方案，能够在小尺寸的情况下提高宽带微带天线的方向性。
附图说明
下面的附图表明了本发明的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例，其中：
图1示出了根据本申请一个实施例的微带天线的俯视图；
图2示出了根据本申请一个实施例的微带天线的右视图；
图3示出了根据本申请一个实施例的微带天线的正视图；
图4示出了根据本申请一个实施例的微带天线的底视图；
图5示出了根据本申请一个实施例的微带天线的沿着图1所示方向的截面图；
图6示出了根据本申请实施例的微带天线的驻波比示意图；
图7示出了根据本申请实施例的微带天线在28GHz时的方向图，红色与蓝色分别为Phi＝0°与Phi＝90°；
图8示出了根据本申请另一实施例的天线阵列的示意图；
图9示出了根据本申请另一实施例的波导喇叭阵列的俯视图；
图10示出了如图9所示的波导喇叭阵列的截面图；
图11示出了收发天线的驻波比的示意图；
图12示出了天线阵列的方向图；
图13示出了未增加喇叭口阵列时天线阵列的隔离度；
图14示出了增加了喇叭口阵列时天线阵列的隔离度。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
为了获得宽频带、方向性强且尺寸小的天线，本申请的一些实施例提出了一种宽带贴片天线。该天线包括：矩形的介质材料基板；辐射贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上；耦合贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离所述辐射贴片预定距离的位置；金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面与地之间形成预定厚度的空气层。上述实施例的天线工作在高频率上(例如，中心频率在K-Ka波段，毫米波天线)，并且相对带宽在20％以上，将主波束集中在天线上方的空间内，使大部分能量能够用于有效检测。此外，该天线尺寸小，例如天线尺寸与工作波长相当。
图1、图2、图3、和图4分别示出了根据本申请一个实施例的微带天线的俯视图、右视图、正视图和底视图。如图1所示，该天线包括矩形的介质材料基板110、辐射贴片120、耦合贴片130。如图3所示，该天线采用增加空气层160介质及电磁耦合的方式扩展带宽，采用50欧姆微带线边馈。
如图所示，辐射贴片120形成在介质材料基板110的上表面上。耦合贴片130形成在介质材料基板110的上表面上，从介质材料基板110的一边延伸到距离辐射贴片120预定距离的位置。金属支撑件140设置在介质材料基板110的下表面，并且从介质材料基板110的下表面边缘附近向下延伸接地150，在介质材料基板110下表面与地之间形成预定厚度ha的空气层160。
在一些实施例中，介质材料基板110采用Rogers5880的介质材料，厚度范围为0.2mm-0.4mm，优选为0.254mm，介电常数ε大于2，优选为2.2，损耗角正切为0.0009。介质材料基板长6.5mm-8.5mm，优选为7.8mm，宽5mm-7mm，优选为6.1mm。
在一些实施例中，空气层160的厚度ha为0.5mm-3.0mm，优选为1.0mm。耦合贴片130的长度lpl为1.5mm-2.5mm，优选为＝1.9mm，宽度wpl为0.5mm-1.2mm，优选为0.8mm。辐射贴片120的长度lp为4.0mm-5.0mm，优选为2.7mm，宽度wp为2.0mm-3.0mm，优选为4.5mm。馈电贴片120与耦合贴片130间距离d为0.4mm-0.5mm，优选为0.45mm。此外，介质材料层160背面设置有支撑件，具体为铜板，其宽度为0.4mm-0.6mm，优选为0.5mm，这一方面对介质材料层110起到支撑作用，同时在安装时保证良好的接地性。
图5示出了根据本申请一个实施例的微带天线的沿着图1所示方向的截面图。如图5所示，金属支撑部件140设置在介质材料层下表面的边缘，并且向下延伸(图5的剖面图中向右延伸)。
图6示出了根据本申请实施例的微带天线的驻波比示意图。如图2所示，天线的VSWR＜2的阻抗带宽10GHz(23GHz-33GHz)，中心频率为28GHz，相对带宽为35.7％，达到了超宽带天线的要求。图7示出了根据本申请实施例的微带天线在28GHz时的方向图，实线与虚线分别为Phi＝0°与Phi＝90°。从图7可以看出，天线主波束位于辐射面正上方，符合应用要求。
虽然上面结合了具体的尺寸来制作天线，但是本领域的技术人员可以可通过适当更改参数值来改变中心频率及相对带宽。
以上描述的是单个微带天线的结构。本领域的技术人员可以将其形成为天线阵列。图8示出了根据本申请另一实施例的天线阵列的示意图。如图8所示，该天线阵列可以为发射天线或接收天线。在一些实施例中，天线阵列包括多个一维排列的如图1所示的宽带贴片天线210、220。在其他实施例中，也可以给多个上述的贴片天线设置单一的金属支撑件。
在一些实施例中，提供了一种天线阵列，包括矩形的介质材料基板，将多个辐射贴片和多个耦合贴片相应地设置在介质材料基板的上表面。例如，多个辐射贴片沿着介质材料基板的长度方向间隔地排列，并且形成在介质材料基板的上表面上。多个耦合贴片与多个辐射贴片相应地设置，每个耦合贴片形成在介质材料基板的上表面上，从介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置。该天线阵列还包括金属支撑件，设置在介质材料基板的下表面，并且从介质材料基板的下表面的边缘附近向下延伸接地，在介质材料基板下表面和地之间形成预定厚度的空气层。按照这样的方式，可以形成具有多个宽带贴片天线的天线阵列。
发射天线和接收天线之间的隔离度通信系统中一个重要的指标。当隔离度较低时，发射信号会串扰到接收信号中的信号强度较高，通信质量相应降低。通常，天线隔离度是指一个天线发射信号，通过另一个天线接收的信号与该发射天线信号的比值。
为了提高隔离度，可以在收发天线之间的电磁耦合通道上设置障碍阻挡电磁耦合，或者采用双工状态的收发天线，发射与接收分别采用正交线极化或正交圆极化。此外，还可以在收发天线之间增加另外一个耦合通道，使其与原耦合信号抵消。
在一些实施例中，可以给上述的毫米波微带天线阵列设计与之匹配的波导喇叭辐射器，在保证原有收发天线的宽带及方向性的基础上，提高收发天线的隔离度。
在一些实施例中，天线阵列中的单个天线采用上述增加空气介质层和电磁耦合的方式扩展带宽，并且采用50欧姆微带线边馈。整体系统采用一维天线阵列，天线中心间距为8.0mm-15.0mm，优选为10.4mm，收发天线之间相对位置如图8所示，收发天线垂直间距为20mm-40mm，优选为30mm，水平相对位置为4.0mm-6.0mm，优选为5.2mm，天线阵列的工作状态为单收单发。
天线阵列中的微带天线可以按照如图1所示的实施例来设计。与所述天线阵列匹配的喇叭辐射器包括矩形波导和喇叭。例如，在一些实施例中辐射器的喇叭口由一段矩形波导及喇叭本身组成。矩形波导尺寸与对应的微带天线的辐射贴片尺寸相同。
如图9和10所示，在一些实施例中，提供了一种波导喇叭阵列。在矩形金属板211上，沿着矩形金属板211的长度方向加工出的截面为矩形的多个孔，每个孔下段形成矩形波导214，每个孔的上段形成喇叭口213。在矩形金属板的上表面上那些孔的两侧形成预定深度的沿着多个孔的排列方向延伸的沟槽212。例如，喇叭高度为10mm-14mm，优选为13mm，喇叭口宽度与波导宽度一致，喇叭口长9-12mm，优选为11mm。在喇叭阵列两侧加上两个2mm宽的金属壁，其中两侧的金属槽对称，对称的金属槽使加上波导喇叭口后的天线方向图保持对称。
此外，在沟槽212中形成多个螺纹孔(未示出)，以将波导喇叭阵列与天线阵列耦接。具体地，波导喇叭阵列的矩形波导与天线阵列中相应的辐射贴片耦合。在一些实施例中，在波导喇叭阵列中沟槽212的宽度为3.0mm-5.0mm，优选4mm，深8.0mm-12.0mm，优选10mm。
图11和图12分别为收发天线的驻波比和天线方向图，图13和图14分别为增加喇叭口阵列前后的天线隔离度对比。从图11图12可以看出，增加了波导喇叭口后的天线仍然保持了宽频带、主波束方向集中、尺寸小的优点，VSWR＜2的带宽为22.8GHz-30.5GHz，相对带宽达到28.9％。从图13和图14的对比可以看出，波导喇叭口阵列使得隔离度增加5-10dB。总的来说这种新型的喇叭口阵列很好的达到了提高隔离度的目的。
可见，根据上述实施例的微带天线具有体积小，便于集成的优点。并且上述将微带天线与波导喇叭辐射器结合的实施例，使天线在带宽、方向性等方面保持良好的性能，同时提高系统收发天线的隔离度。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种天线系统，包括：
天线阵列，包括：
矩形的介质材料基板，
多个辐射贴片，沿着所述介质材料基板的长度方向间隔地排列，并且形成在所述介质材料基板的上表面上；
多个耦合贴片，与所述多个辐射贴片相应地设置，每个耦合贴片形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置；
金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面的边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面和地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm；
波导喇叭阵列，包括矩形金属板，其中，沿着所述矩形金属板的长度方向在所述矩形金属板上加工出的截面为矩形的多个孔，每个孔下段形成矩形波导，每个孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金属板的上表面上所述孔的两侧形成预定深度的沿着所述多个孔的排列方向延伸的沟槽；
其中，所述波导喇叭阵列的各个矩形波导的尺寸与所述辐射贴片的尺寸相同并且各个矩形波导与相应的辐射贴片耦合。
2.如权利要求1所述的天线系统，其中所述金属支撑件由铜形成。
3.如权利要求1所述的天线系统，其中所述预定距离为0.4mm-0.5mm。
4.如权利要求1所述的天线系统，其中所述耦合贴片的长度为1.5mm-2.5mm，宽度为0.5mm-1.2mm。
5.如权利要求1所述的天线系统，其中辐射贴片的长度为4.0mm-5.0mm，宽度为2.0mm-3.0mm。
6.如权利要求1所述的天线系统，其中所述宽带贴片天线工作在K-Ka波段。
7.如权利要求1所述的天线系统，还包括与所述耦合贴片连接的微带馈线。
8.如权利要求1所述的天线系统，其中所述金属支撑件具体为铜板，设置在所述介质材料基板的两边。
9.如权利要求8所述的天线系统，其中所述铜板的宽度为0.4mm-0.6mm。
10.一种宽带贴片天线，包括：
矩形的介质材料基板，所述矩形的介质材料基板的长度为6.5mm-8.5mm，宽度为5mm-7mm，
矩形的辐射贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，所述矩形的辐射贴片的长度为4mm-5mm，宽度为2mm-3mm；
耦合贴片，形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离所述辐射贴片预定距离的位置；
金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面与地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm，天线的VSWR小于2的阻抗带宽为10Ghz，中心带宽为28Ghz，相对带宽为35.7％。
11.如权利要求10所述的宽带贴片天线，其中所述金属支撑件由铜形成。
12.如权利要求10所述的宽带贴片天线，其中所述预定距离为0.4mm-0.5mm。
13.如权利要求10所述的宽带贴片天线，其中所述耦合贴片的长度为1.5mm-2.5mm，宽度为0.5mm-1.2mm。
14.如权利要求10所述的宽带贴片天线，其中所述宽带贴片天线工作在K-Ka波段。
15.如权利要求10所述的宽带贴片天线，还包括与所述耦合贴片连接的微带馈线。
16.如权利要求10所述的宽带贴片天线，其中所述金属支撑件具体为铜板，设置在所述介质材料基板的两边。
17.如权利要求16所述的宽带贴片天线，其中所述铜板的宽度为0.4mm-0.6mm。
18.一种天线阵列，包括：
矩形的介质材料基板，所述矩形的介质材料基板的长度为6.5mm-8.5mm，宽度为5mm-7mm，
多个矩形的辐射贴片，沿着所述介质材料基板的长度方向间隔地排列，并且形成在所述介质材料基板的上表面上，所述矩形的辐射贴片的长度为4mm-5mm，宽度为2mm-3mm；
多个耦合贴片，与所述多个辐射贴片相应地设置，每个耦合贴片形成在所述介质材料基板的上表面上，从所述介质材料基板的一边延伸到距离相应辐射贴片预定距离的位置；
金属支撑件，设置在所述介质材料基板的下表面，并且从所述介质材料基板的下表面的边缘附近向下延伸接地，在所述介质材料基板下表面和地之间形成预定厚度的空气层，其中所述空气层厚度为0.5mm-3.0mm。
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