CN110311219A - 一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，属于微带天线技术领域，包括介质板、用于改变天线边缘阻抗的阻抗变换器、用于为天线馈电的共面波导与贴片阵列天线，所述共面波导与所述贴片阵列天线均贴附在所述介质板的一侧表面，两个相邻所述微带贴片之间的距离为二分之一个至四分之三个介质波长之间。本发明将微带贴片采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低；并且采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，提高了整个馈电网络的效率。

Description

一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线及系统
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，具体涉及一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线。
背景技术
5G技术即第五代移动通信技术，是面向2020年以后移动通信网络的新一代移动通信技术，将具有超高的频谱利用率和极快的传输速率，相对4G移动通信技术来说提高一个量级或更高，其速率可达10GB/S，且需要能够满足在未来10年后移动互联网流量增加1000倍的发展需求。目前，低频频谱资源已非常拥挤，很难满足未来5G通信的需求，开拓新的频段成为5G的必然选择，而毫米波由于其有频谱资源丰富、定向性好、抗干扰能力强等独特的性能，受到了越来越多的关注。其中，毫米波收发系统前端的天线尤为重要，天线的增益、带宽、效率等性能直接决定着系统的好坏。现在毫米波收发系统前端所采用的天线一般为微带天线。
微带天线(microstripantenna)在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分两种：一种贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。另一种贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。
常规微带天线频带较窄，不能满足毫米波频段的94GHz频带需求，而且馈线有较强的辐射损耗，导致整个天线阵列效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何使微带天线被更好地被应用到毫米波雷达及通信系统中，提供了一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括介质板、用于改变天线边缘阻抗阻抗变换器、用于为天线馈电的共面波导与贴片阵列天线，所述共面波导与所述贴片阵列天线均贴附在所述介质板的一侧表面，所述贴片阵列天线位于所述共面波导的一侧，所述贴片阵列天线通过所述阻抗变换器与所述共面波导相连接，所述贴片阵列天线包括多个微带贴片，多个所述微带贴片沿所述介质板的长度方向依次间隔布置，多个所述微带贴片之间的连接方式为串接，将微带贴片采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低。
优选的，两个相邻所述微带贴片之间的距离为二分之一个至四分之三个介质波长之间。
优选的，所述串馈微带阵列天线还包括金属地层，所述金属地层设置在所述介质板的另
一侧表面。
优选的，所述共面波导包括用于馈入电磁波信号的馈入点，所述馈入点位于所述共面波导远离所述阻抗变换器的一端，采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，提高了整个馈电网络的效率。
优选的，所述介质板包括多个用于安装测试探针的金属通孔，多个所述金属通孔均分布在所述共面波导的另一侧。
优选的，所述介质板的介电常数为2.9，其厚度为0.254mm。
优选的，所述阻抗变换器为四分之一波长变化线，所述波长为所述天线工作频带内中心频率点所对应的波导波长。
优选的，所述共面波导用于作为馈电网络为给天线馈电，采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，而且提高了整个馈电网络的效率。
本发明相比现有技术具有以下优点：该用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，将微带贴片采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低；而且采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，提高了整个馈电网络的效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中1/4波长阻抗转换器的转换示意图。
图3为本发明实施例中所提供的微带天线E面辐射方向图。
图4为本发明实施例中所提供的微带天线H面辐射方向图。
图5为本发明通过HFSS仿真天线所生成的回波损耗图。
图中：1、介质板；2、贴片阵列天线；21、微带贴片；3、共面波导；31、馈入点；4、阻抗变换器；5、金属通孔；6、金属地层。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，图1为本发明的整体结构示意图，本实施例提供一种技术方案：一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，本发明包括介质板1、用于改变天线边缘阻抗的阻抗变换器4、用于为天线馈电的共面波导3与贴片阵列天，所述共面波导3与所述贴片阵列天线2均贴附在所述介质板1的一侧表面，所述贴片阵列天线2位于所述共面波导3的一侧，所述贴片阵列天线2通过所述阻抗变换器4与所述共面波导3相连接，所述贴片阵列天线2包括多个微带贴片21，多个所述微带贴片21沿所述介质板1的长度方向依次间隔布置且按幅度加权分布，多个所述微带贴片21之间的连接方式为串接，将微带贴片21采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低，所述串馈微带阵列天线还包括金属地层6，所述金属地层6设置在所述介质板1的另一侧表面。
在本实施例中，所述贴片阵列天线2为多矩形结构，包括八片沿介质板1长度方向依次间隔布置的微带贴片21，多个天线子阵元之间用微带传输线串联连接起来，并在末端子阵元的中心连接阻抗转换器与共面波导3进行馈电，串联馈电是将各个子阵元用微带传输线串联起来，对馈电的传输线来说，每一个天线子阵元都等效为一个多端网络。
需要说明的是，从等效网络的观点来说，这种馈电是一种级联馈电形式。根据传输线终端所接负载不同，又可以分为行波串联馈电和谐振串联馈电。当终端负载等于传输线的特性导纳时，整个馈线上电流分布接近于行波状态，称为行波馈电，其阻抗匹配频带较宽，但波束指向随频率改变，效率较低。当终端负载为零或无穷大时，馈线上的电流按驻波分布，称为谐振馈电，其可以从天线阵列的一端馈电，也可以从天线阵列的中心馈电。串联馈电网络结构简单、紧凑，馈线总长度较短，所以馈线损耗较小。
在本实施例中两个相邻所述微带贴片21之间的距离为约二分之一个至四分之三个介质波长之间。
在本实施例中所述共面波导3包括用于馈入电磁波信号的馈入点31，所述馈入点31位于所述共面波导3远离所述阻抗变换器4的一端，采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，提高了整个馈电网络的效率。
在本实施例中所述介质板1包括多个用于安装测试探针的金属通孔5，多个所述金属通孔5均分布在所述共面波导3的另一侧。
在本实施例中，所述介质板1采用的是罗杰斯(Rogers)高频微波板，所述介质板1的介电常数为2.9，其厚度为0.254mm。
如图2所示，图2为1/4波长阻抗转换器的转换示意图，在本实施例中所述阻抗变换器4为四分之一波长变化线，所述波长为所述天线工作频带内中心频率点所对应的波长(一般而言，微带天线的边缘阻抗为100Ω-400Ω，并不符合微波器件通用的50Ω系统，所以加上一段1/4波长阻抗转换器使得微带天线阵的边缘阻抗与50Ω达成匹配。假设微带天线的边缘阻抗为ZL，微带传输线的特性阻抗为Z0，1/4波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1。
阻抗匹配的条件为：
馈入点31采用共面波导3来馈电，特性阻抗为50Ω，所述阻抗变换器4为四分之一阻抗变化线，宽度约为0.25mm,可以根据设计需要进行调整。
所述共面波导3用于作为馈电网络为给天线馈电，采用了共面波导3馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，而且提高了整个馈电网络的效率。
如图3-4所示，图3为本实施例中所提供的微带天线E面辐射方向图，图4为本实施例中所提供的微带天线H面辐射方向图，可以看到E面方向图在靠近主瓣某个区域内的副瓣电平接近相等，随后单调减小，有利于提高天线方向性系数。
如图5所示，图5为通过HFSS(HighFrequencyStructureSimulator，三维电磁仿真软件)仿真天线端口所生成的回波损耗图，天线的频带宽度为93.15GHZ-94.3GHZ，频带深度为-30.9DB。
综上所述，本实施例的用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，将微带贴片采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低；另一方面，采用了共面波导馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上接地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，简化了馈电网络，提高了整个馈电网络的效率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：包括介质板、用于改变天线边缘阻抗的阻抗变换器、用于为天线馈电的共面波导与贴片阵列天线，所述共面波导与所述贴片阵列天线均贴附在所述介质板的表面，所述贴片阵列天线位于所述共面波导的一侧，所述贴片阵列天线通过所述阻抗变换器与所述共面波导相连接，所述贴片阵列天线包括多个微带贴片，多个所述微带贴片沿所述介质板的长度方向依次间隔布置，多个所述微带贴片之间的连接方式为串接。
2.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：两个相邻所述微带贴片之间的距离为二分之一个至四分之三个介质波长之间。
3.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：所述串馈微带阵列天线还包括金属地层，所述金属地层设置在所述介质板上与所述共面波导、所述贴片阵列天线相对的表面。
4.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：所述共面波导包括用于馈入电磁波信号的馈入点，所述阻抗变换器与所述共面波导的一端相连接，所述馈入点设置在所述共面波导的另一端。
5.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：所述介质板包括多个用于安装测试探针的金属通孔，多个所述金属通孔均分布在所述共面波导的另一侧。
6.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：所述介质板的介电常数为2.9，其厚度为0.254mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于毫米波雷达的串馈微带阵列天线，其特征在于：所述阻抗变换器为四分之一波长变化线，所述波长为所述天线工作频带内中心频率点所对应的波导波长。
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