CN110233356B - 一种串联馈电微带天线阵及其优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联馈电微带天线阵及其优化设计方法，由若干个符合阵元长度公式和阵元宽度公式的阵元根据阵元间距公式串联组成串联馈电微带天线阵。本发明从工程应用出发,综合考虑了微带阵元的辐射特性、幅度加权、天线互耦、阻抗匹配等因素,推导了相互关联的串馈微带线阵的设计参数曲线；通过本串馈微带线阵的设计参数曲线,可快速获得了一组串馈矩形微带加权线阵的设计参数,有效地加快了设计过程,缩短了研制周期,使用本方法设计串馈微带天线阵是简捷、快速、有效的。

Description

一种串联馈电微带天线阵及其优化设计方法
技术领域
本发明涉及微带天线研究技术领域，具体地说是一种串联馈电微带天线阵及其优化设计方法。
背景技术
微带天线由于其具有重量轻、体积小、成本低、低剖面、结构简单、易于制作和生产等优点，是现代电子设备首选的天线形式，在通信、导航、雷达和电子对抗等无线领域得到广泛应用。在各种应用，天线增益、副瓣电平、效率指标是微带天线最重要的指标。
微带天线阵一般以微带线构成的馈电网络对每个辐射单元进行馈电，微带天线阵按常用的馈电方式可分为并联馈电和串联馈电。与微带天线阵的并联馈电相比,串联馈电可以显著减小馈电网络的复杂性,缩短网络中微带传输线的长度,降低馈电网络带来的损耗,在并联馈电的微带天线阵中，从馈电点到每一个辐射单元的馈线长度一样，所以微带天线阵设计比较简单。串联馈电的微带天线阵相对要复杂一些，推出串馈微带阵各阵元电流计算的递推公式，按此公式逐级计算可得到各阵元电流以及馈电点的电流及输入阻抗，由此设计微带天线阵。
对串馈微带阵列天线而言,为了实现天线天线增益、副瓣电平、效率的特定要求,天线阵需要适当的幅度、相位分布,这使得微带天线阵列的设计较为复杂,特别是在高频应用情况下,这种现象尤为突出。串馈微带天线阵设计中,由于串馈微带天线中单元的激励、辐射和互耦相互缠绕,难以精确设计和实现天线阵中各单元的幅相分布要求。当串联馈电微带天线阵的元数较少时，设计参数较少；随着阵元的增加，设计参数按3倍的速度增加，阵越大，设计参数越多，设计出最优化串馈微带天线阵也越困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种串联馈电微带天线阵及其优化设计方法，解决由于串馈微带天线中单元的激励、辐射和互耦相互缠绕,难以精确设计和实现天线阵中各单元的幅相分布要求的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种串联馈电微带天线阵的优化设计方法，由若干个阵元串联组成串联馈电微带天线阵；
每个阵元的阵元长度L i为：L i＝0.5×λg×(43.11562×(i/n)5-122.70205×(i/n)4+127.36018×(i/n)3-58.27373×(i/n)2+11.13284×(i/n)+0.35668)；所述阵元长度为每个阵元的轴向长度；
每个阵元的阵元宽度W i为：W i＝W 1×(4669.50705×(i/n)7-18224.84943×(i/n)6+28791.24036×(i/n)5-23511.83389×(i/n)4+10499.94636×(i/n)3-2519.11493×(i/n)2+309.45271×(i/n)-13.15999)；所述阵元宽度为每个阵元的横向宽度；
两个阵元之间的阵元间距D i为：D i＝0.5×λg×(42.09026×(i/n)6-133.0462×(i/n)5-161.9231×(i/n)4-96.27209×(i/n)3+29.59044×(i/n)2-4.52219×(i/n)+1.23738)；所述两个阵元之间的阵元间距为相邻两个阵元中心的距离；
其中，λg为微带介质中的波长，i为阵元序号(1≤i≤n)，W 1为串联馈电微带天线阵第一阵元宽度，D i为第i个阵元与第i+1个阵元之间的间距，n为串联馈电微带天线阵的阵元个数。
所述串联馈电微带天线阵的第n个阵元的非阵元侧为串联馈电微带天线阵的输入端。
一种串联馈电微带天线阵，由若干个阵元组成，每个阵元的阵元长度L i为：L i＝0.5×λg×(43.11562×(i/n)5-122.70205×(i/n)4+127.36018×(i/n)3-58.27373×(i/n)2+11.13284×(i/n)+0.35668)；所述阵元长度为每个阵元的轴向长度；每个阵元的阵元宽度W i为：W i＝W 1×(4669.50705×(i/n)7-18224.84943×(i/n)6+28791.24036×(i/n)5-23511.83389×(i/n)4+10499.94636×(i/n)3-2519.11493×(i/n)2+309.45271×(i/n)-13.15999)；所述阵元宽度为每个阵元的横向宽度；两个阵元之间的阵元间距D i为：D i＝0.5×λg×(42.09026×(i/n)6-133.0462×(i/n)5-161.9231×(i/n)4-96.27209×(i/n)3+29.59044×(i/n)2-4.52219×(i/n)+1.23738)；所述阵元间距为相邻两个阵元中心的距离。
其中，λg为微带介质中的波长，i为阵元序号(1≤i≤n)，W 1为串联馈电微带天线阵第一阵元宽度，D i为第i个阵元与第i+1个阵元之间的间距，n为串联馈电微带天线阵的阵元个数。
第n个阵元的非阵元侧为串联馈电微带天线阵的输入端。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明从工程应用出发,综合考虑了微带阵元的辐射特性、幅度加权、天线互耦、阻抗匹配等因素,推导了相互关联的串馈微带线阵的设计参数曲线；通过本串馈微带线阵的设计参数曲线,可快速获得了一组串馈矩形微带加权线阵的设计参数,有效地加快了设计过程,缩短了研制周期,使用本方法设计串馈微带天线阵是简捷、快速、有效的。
附图说明
图1是串联馈电微带天线阵示意图；
图2是阵元长度、阵元宽度及阵元间距的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示为本发明的串联馈电微带天线阵结构图。
串联馈电微带天线阵由n个阵元串联组成，每个阵元的阵元长度为L i，L i＝0.5×λg×(43.11562×(i/n)5-122.70205×(i/n)4+127.36018×(i/n)358.27373×(i/n)2+11.13284×(i/n)+0.35668)；
每个阵元的阵元宽度为W i，W i＝W 1×(4669.50705×(i/n)7-18224.84943×(i/n)6+28791.24036×(i/n)5-23511.83389×(i/n)4+10499.94636×(i/n)3-2519.11493×(i/n)2+309.45271×(i/n)-13.15999)；
两个阵元之间的阵元间距为D i，D i＝0.5×λg×(42.09026×(i/n)6-133.0462×(i/n)5-161.9231×(i/n)4-96.27209×(i/n)3+29.59044×(i/n)2-4.52219×(i/n)+1.23738)；其中，λg为微带介质中的波长，i为阵元序号(1≤i≤n)，W 1为串联馈电微带天线阵第一阵元宽度，D i为第i个阵元与第i+1个阵元之间的间距，n为串联馈电微带天线阵的阵元个数。
如图2所示为阵元长度、阵元宽度及阵元间距的示意图。
每个阵元的阵元长度为天线阵中每个阵元的轴向长度；
每个阵元的阵元宽度为天线阵中每个阵元的横向宽度；
两个阵元之间的阵元间距为天线阵中两个相邻阵元的中心距离。
实施例：
设计一个具有10阵元的77GHz串联馈电微带天线阵，可应用于汽车雷达、安防、智能交通系统等。
10阵元的77GHz串联馈电微带天线阵，优选0.127mm厚的微带板材，优选介电常数为3的板材，计算可得，λg＝2.34mm，n＝10，W 1＝0.2461mm，使用本发明的3个方程，可快速得到10组阵元长度、阵元宽度、阵元间距关键串联馈电微带天线阵设计参数，完成10阵元的77GHz串联馈电微带天线阵设计。
Figure GDA0003017181300000041

Claims (4)

1.一种串联馈电微带天线阵的优化设计方法，其特征在于：由若干个阵元串联组成串联馈电微带天线阵；
每个阵元的阵元长度L i为：L i＝0.5×λg×(43.11562×(i/n)5-122.70205×(i/n)4+127.36018×(i/n)3-58.27373×(i/n)2+11.13284×(i/n)+0.35668)；所述阵元长度为每个阵元的轴向长度；
每个阵元的阵元宽度W i为：W i＝W 1×(4669.50705×(i/n)7-18224.84943×(i/n)6+28791.24036×(i/n)5-23511.83389×(i/n)4+10499.94636×(i/n) 3-2519.11493×(i/n)2+309.45271×(i/n)-13.15999)；所述阵元宽度为每个阵元的横向宽度；
两个阵元之间的阵元间距D i为：D i＝0.5×λg×(42.09026×(i/n)6-133.0462×(i/n)5-161.9231×(i/n)4-96.27209×(i/n)3+29.59044×(i/n)2-4.52219×(i/n)+1.23738)；所述两个阵元之间的阵元间距为相邻两个阵元中心的距离；
其中，λg为微带介质中的波长，i为阵元序号(1≤i≤n)，W 1为串联馈电微带天线阵第一阵元宽度，D i为第i个阵元与第i+1个阵元之间的间距，n为串联馈电微带天线阵的阵元个数。
2.根据权利要求1所述的串联馈电微带天线阵的优化设计方法，其特征在于：所述串联馈电微带天线阵的第n个阵元的非阵元侧为串联馈电微带天线阵的输入端。
3.一种串联馈电微带天线阵，其特征在于，由若干个阵元组成，每个阵元的阵元长度Li为：L i＝0.5×λg×(43.11562×(i/n)5-122.70205×(i/n)4+127.36018×(i/n)3-58.27373×(i/n)2+11.13284×(i/n)+0.35668)；所述阵元长度为每个阵元的轴向长度；每个阵元的阵元宽度W i为：W i＝W 1×(4669.50705×(i/n)7-18224.84943×(i/n)6+28791.24036×(i/n)5-23511.83389×(i/n)4+10499.94636×(i/n)3-2519.11493×(i/n)2+309.45271×(i/n)-13.15999)；所述阵元宽度为每个阵元的横向宽度；两个阵元之间的阵元间距D i为：D i＝0.5×λg×(42.09026×(i/n)6-133.0462×(i/n)5-161.9231×(i/n)4-96.27209×(i/n)3+29.59044×(i/n)2-4.52219×(i/n)+1.23738)；所述阵元间距为相邻两个阵元中心的距离。
4.根据权利要求3所述的串联馈电微带天线阵，其特征在于：第n个阵元的非阵元侧为串联馈电微带天线阵的输入端。
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