CN110867645A - 微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微带阵列天线，该微带阵列天线包括：辐射单元结构，所述辐射单元结构的数量和位置可根据特定需求进行配置，所述特定需求至少包括成本需求、性能需求及结构需求中的一个或多个。其中，该辐射单元结构由贴片辐射单元和PCB板上的辐射单元组成，进而由多个辐射单元结构组阵，形成串馈和并馈的微带阵列天线，且辐射单元结构的数量和位置可成本需求、性能需求及结构需求等进行配置，从而利于缩小微带阵列天线的面积，增加隔离度。

Description

微带阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，特别涉及一种微带阵列天线。

背景技术

微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀或者印刷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。微带天线一般分为两种：一是贴片形状是一细长带条，称为微带振子天线。二是贴片形状是一个面积单元时，称为微带天线。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。

微带天线在二维平面组成阵列，叫微带平面阵列天线。根据馈电方式的不同，可以分为串联馈电和并联馈电。串馈微带阵列天线是指以微带贴片作为基本阵元组成的，使用微带线串联馈电的线阵。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，在固定波束和频扫天线中广为采用。特别是在汽车毫米波雷达中使用广泛。一般的为了达到高增益，沿X方向再进行组阵，就形成以串馈微带阵列天线为基础的面阵(串并结合)。

串馈微带阵列天线由于易于制作，面积紧凑，方便布局，低成本等特点，以及在性能方面，易于达到较宽的水平角、较高的增益等特点，目前在汽车毫米波防撞雷达中使用广泛，因此，目前关于微带阵列天线具有众多相关技术。

关于串馈微带阵列天线现有技术主要存在如下缺陷和不足：在性能方面，串馈微带阵列天线需要缩小面积，增加天线之间的隔离度。以汽车毫米波防撞雷达为例子，目前主流的方案是使用76～81GHz频段为汽车毫米波防撞雷达工作频段。

在现在的毫米波雷达系统中，经常使用两个或者两个以上天线进行二分之一波长等间距排列，形成雷达的接收天线，以便于测量周围物体相对于汽车的角度以及描绘周围物体的运动方向。同样，一般的，使用串馈微带阵列天线进行二分之一波长等间距排列后，天线之间的隔离度一般小于15dB，这样也限制了雷达性能的发挥。

在MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)，多入多出)雷达中，经常需要多个发射天线以及多个接收天线进行布局，纵使串馈阵列天线具有紧凑的特点，但是当需要使用多副天线时，则使得雷达面积较大，同样迫切需要缩小天线面积。

相对于串联馈电阵列天线，并联馈电的阵列天线的特点在于阵元是并联馈电的，并联馈电可以形成线阵也可以组成面阵，每个单元可以设置成独立馈电，也可以使用多级功分器或者其它矩阵组成馈电网络进行馈电。同样地，并联馈电阵列天线也需要通过技术手段提高阵元之间的隔离度，这样有利于抑制副瓣等好处，并联馈电阵列天线也需要通过一定的技术手段来缩小天线面积。这些问题均是业界一直在研究的课题，也是应用上的难点和瓶颈所在。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种微带阵列天线，该微带阵列天线具有面积小，隔离度高的优点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种微带阵列天线，包括：辐射单元结构，所述辐射单元结构的数量和位置可根据特定需求进行配置，所述特定需求至少包括成本需求、性能需求及结构需求中的一个或多个。

根据本发明实施例的微带阵列天线，包括辐射单元结构，该辐射单元结构由贴片辐射单元和PCB板上的辐射单元组成，进而由多个辐射单元结构组阵，形成串馈和并馈的微带阵列天线，且辐射单元结构的数量和位置可成本需求、性能需求及结构需求等进行配置，从而利于缩小微带阵列天线的面积，增加隔离度。

另外，根据本发明上述实施例的微带阵列天线还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，还包括：与所述辐射单元结构相互串联或并联的贴片辐射单元结构，所述贴片辐射单元结构的数量可配置。

在一些示例中，所述辐射单元结构，包括：基板；设置在所述基板之上的辐射贴片；与所述辐射贴片相连的馈电结构；设置在所述辐射贴片之上的辐射单元，其中，所述辐射单元具有介质材料结构本体，以及设置在所述介质材料结构本体之上相对的第一金属面和第二金属面，所述辐射单元通过所述第一金属面与所述辐射贴片相连。

在一些示例中，所述辐射单元和所述辐射贴片通过焊接的方式相连。

在一些示例中，所述介质材料结构本体的介电常数大于所述基板的介电常数。

在一些示例中，所述馈电结构为馈电探针或馈电微带线。

在一些示例中，所述介质材料结构本体由陶瓷材料、有机材料或者复合材料构成。

在一些示例中，所述辐射单元结构的数量为多个。

在一些示例中，多个所述辐射单元结构之中介质材料结构本体的尺寸不同。

在一些示例中，所述辐射单元结构为立体结构或者平面结构。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的微带阵列天线结构示意图；

图2是根据本发明一个具体实施例的两个贴片辐射单元结构构成的微带阵列天线示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的三个贴片辐射单元结构构成的阵列天线示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的多个贴片辐射单元结构构成的并联馈电阵列天线示意图；

图5是根据本发明一个实施例的辐射单元结构的示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的辐射单元结构的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的辐射单元的示意图；

图8是根据本发明一个具体实施例的只设置一个贴片辐射单元的阵列天线示意图；

图9是普通的串馈阵列天线示意图；

图10是根据本发明一个具体实施例中图8所示阵列天线的参数示意图；

图11是根据本发明一个具体实施例中图9所示阵列天线的参数示意图；

图12是根据本发明一个具体实施例中设置两个串馈阵列天线相距77GHz二分之一波长的间距示意图；

图13是根据本发明一个具体实施例中图12所示结构的参数示意图；

图14是根据本发明一个具体实施例中设置两个串馈阵列天线在76GHz～77GHz之间隔离度≥18dB的间距示意图；

图15是根据本发明一个具体实施例中图14所示结构的参数示意图。

附图说明：

100-辐射单元结构；贴片辐射单元结构；1-基板；2-辐射贴片；3-馈电结构；4-辐射单元；41-介质材料结构本体；42-第一金属面；43-第二金属面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的微带阵列天线。

图1是根据本发明的一个实施例的微带阵列天线的结构示意图。

如图1所示，该微带阵列天线包括辐射单元结构100。其中，辐射单元结构100的数量和位置可根据特定需求进行配置，特定需求至少包括成本需求、性能需求及结构需求中的一个或多个。

也即是说，辐射单元结构100的数量可以为一个或多个，具体可根据成本需求、性能需求、结构需求以及其它需求进行灵活配置，从而利于缩小体积以及增加隔离度。

在本发明的一个实施例中，如图1或图2所示，该微带阵列天线还包括：与辐射单元结构100相互串联或并联的贴片辐射单元结构200，其中，贴片辐射单元结构200的数量可配置。

作为具体的实施例，例如图2展示了由两个辐射单元结构100构成的微带阵列天线的示意图。也即是说，微带阵列天线可包括两个辐射单元结构100。

图3展示了由三个辐射单元结构100构成的微带阵列天线的示意图。也即是说，微带阵列天线可包括三个辐射单元结构100。

在具体实施例中，多个辐射单元结构100可形成串馈和并馈阵列天线，即可形成串联结构的微带阵列天线以及并联结构的微带阵列天线。

图4展示了由多个辐射单元结构100构成的并联馈电阵列天线示意图。图2-图3展示了由多个辐射单元结构100构成的串联馈电阵列天线示意图。图1展示了由多个辐射单元结构100构成的串并结合阵列天线示意图，即混合馈电阵列天线。

图5是根据本发明一个实施例的辐射单元结构100的示意图。图6是根据本发明另一个实施例的辐射单元结构100的示意图。结合图5和图6所示，该辐射单元结构100，包括：基板1、辐射贴片2(如图6所示)、馈电结构3和辐射单元4。

具体的，基板1例如由PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)材料构成。辐射贴片2设置在基板1上；馈电结构3与辐射贴片2相连；如图6所示，辐射单元4设置在辐射贴片2之上。其中，如图7所示，辐射单元4具有介质材料结构本体41，以及设置在介质材料结构本体41之上相对的第一金属面42和第二金属面43，辐射单元4通过第一金属面42与辐射贴片2相连。也即是说，辐射单元4被配置为双面金属化的辐射单元。

在本发明的一个实施例中，第一金属面42和第二金属面43均为光滑的高导电率金属化表面层。

在本发明的一个实施例中，辐射单元4和辐射贴片2通过焊接相连，具体的，可通过SMT工艺焊接。

在本发明的一个实施例中，介质材料结构本体41的介电常数大于基板1的介电常数。更为具体的，介质材料结构本体41为由陶瓷材料、有机材料或者复合材料构成。

在本发明的一个实施例中，介质材料结构本体41为矩形、方形或圆形。图5-7中所示均为矩形示例。

在本发明的一个实施例中，馈电结构3为馈电探针或馈电微带线。

具体的说，即该辐射单元结构100的主要部分包括：处于PCB基板1表面的辐射贴片2；通过表贴方式与位于PCB基板1表面的辐射贴片2相焊接的双面金属化的辐射单元4；该辐射单元4具有一定的厚度，介电常数比PCB基板1材料介电常数大。该辐射单元4是一种贴片辐射单元，可以通过SMT工艺焊接在PCB基板1上的辐射贴片2的表面。其中，辐射单元4的上表面和底面均是光滑的高导电率金属化表面层，即介质材料结构本体41的上下表面是一层具有高导电率的金属材料形成的光滑金属薄层。从而，本发明实施例的辐射单元4为一种贴片型辐射单元，其不同于一般的介质天线辐射单元，需要与PCB基板1上的辐射单元4焊接后作为一个整体看待。进一步的，利用由这种贴片辐射单元以及原来处于PCB基板表面的辐射单元组成的新的辐射单元组成串馈或者并馈阵列天线，由此可以解决目前的两个难点，即缩小阵列天线面积，增加阵元之间的隔离度。

综上，根据本发明实施例的辐射单元结构100，在基板1上设置辐射贴片2，在辐射贴片2上设置辐射单元4，辐射单元4具有介质材料结构本体41，在介质材料结构本体41之上设置相对的第一金属面42和第二金属面43，辐射单元4通过第一金属面41与辐射贴片2相连，即采用辐射贴片2和PCB辐射单元4进行复合，组成新的辐射单元结构100，利于缩小阵列天线的面积，增加隔离度。

在本发明的一个实施例中，辐射单元结构100的数量例如为多个。

在本发明的一个实施例中，多个辐射单元结构100之中的介质材料结构本体41的尺寸不同。即，不同辐射单元结构100中的介质材料结构本体41的厚度不同。

在本发明的一个实施例中，辐射单元结构100为立体结构或者平面结构。具体的说，一般的阵列天线辐射单元处于PCB的平面上，属于平面型辐射单元。本发明实施例的结构使得PCB平面辐射单元，变成三维立体结构，使得在天线设计过程中多出至少两个以上的自由度，如：介质块的介电常数、介质块的高度、介质块的金属化图案以及介质块在阵列天线中的分布等。

在具体实施例中，本发明实施例中由贴片辐射单元结构200和PCB基板上的辐射单元结构100进行组阵，形成串馈和并馈阵列天线，具有全新的特点。该特点在于，辐射单元结构100的数目和位置可以根据成本需求、性能需求、结构需求以及其它需求进行灵活配置。比如图2中所示，在八单元的串馈阵列天线的设计中，只有其中两个单元上面焊接了辐射单元结构100，从而组成了一定功能的微带阵列天线。进一步的，辐射单元结构100可以使用1～8个，当数目小于8个时，辐射单元结构100的位置分配也可以灵活选择。这种灵活的方式可以使得设计者可以很好的在降低成本的同时很好的达到缩小面积，提高隔离度的目的。

如图2所示，展示了由两个辐射单元结构100构成的微带阵列天线示意图。如图3所示，展示了由三个辐射单元结构100构成的阵列天线示意图。

以使用三个辐射单元结构100的串馈阵列天线举例，不失一般性，在该示例中，由于PCB基板上具有八个辐射贴片，因此如果有需要，可以使用1～8个辐射单元结构100。使用辐射单元结构100的数目的多少和以及位置排布方式均在本发明的范围之内。需要说明的是，同样的方式可以实施在并联馈或者混合馈电的微带阵列天线中，例如图1和图4所示。如前所述，不失一般性，图1和图4中所有PCB辐射贴片上均有辐射单元结构100，在实际应用中，辐射单元结构100可以灵活配置。

需要注意的是，在上述示例中，均是采用微带线馈电，不失一般性，也可以采用其它馈电方式，比如探针式馈电，这些馈电方式不会影响本发明方案的实施。

为了便于理解，以下描述本发明实施例减小阵列天线面积以及增加隔离度的原理。

具体的，如上所述，一般微带平面阵列天线通常是使用单一的PCB材料或者陶瓷材料基板进行制作，单一的PCB材料的特点是介电常数可以很低，通常所用的PCB材料的介电常数在3～5之间，采用低介电常数的PCB材料制作阵列天线，由于介电常数较低，所以，在相同的频率点以平面方式制作的辐射单元尺寸较大；但是由于介电常数较低，再加上使用厚度较薄的PCB板材，可以在一定程度上抑制表面波的传输，相对于高介电常数的材料，可以使得天线辐射单元之间的隔离度较高。

如果使用陶瓷材料(比如采用低温共烧陶瓷材料)制作一般的微带平面阵列天线，由于陶瓷材料的介电常数较高(一般＞5)，所以，在相同的频率点可以使得天线辐射单元面积较小，但是隔离度较差。

本发明的实施例能够在缩小面积的同时提高隔离度的原理在于：由于本发明实施例的辐射单元结构110是由PCB基板1上的辐射贴片2和额外的贴片辐射单元4组成，这样会带来以下两点好处：

第一，PCB材料介电常数低，但是贴片辐射单元4可以由高介电常数的材料制作，由于最终贴片辐射单元4会焊接在PCB辐射贴片2上，新的辐射单元综合来看，下层是低介电常数材料，上层是高介电常数材料，所以等效介电常数会比原来的纯PCB材料介电常数要高，所以可以缩小整个辐射单元的表面积。另外，由于主体材料还是低介电常数的PCB材料，辐射单元之间的隔离度也保留了低介电常数材料的特点，相对于单纯使用高介电常数材料制作的单元之间的隔离度要高。

第二，一般的微带平面阵列天线是一个平面结构，难于设计成三维结构，如果在PCB基板或者陶瓷基板中以平面的形式进行堆叠形成三维结构，不仅会使得成本大幅提高，而且也使得工艺制作变得复杂，不利于产品良率的提高。故而，以贴片辐射单元的形式，焊接在平面阵列单元的表面，这种方式提供了一种廉价的三维结构天线的制作方式。由于，其中的辐射单元变成立体结构，使得辐射单元的谐振模式改变，由于上面高介电常数的贴片辐射单元的存在，一方面使得辐射单元的电流路径变长，从而也使得整个辐射单元面积缩小；另一方面，高介电常数贴片辐射单元中电场较为集中，表现出来的结果也使得辐射单元之间的隔离度变大。

在具体实施例中，本发明实施例采用贴片辐射单元4和PCB辐射贴片2进行复合，组成新的辐射单元可以达到缩小面积，增加隔离度的目的，同时指出贴片辐射单元的数量和位置布局可以灵活配置，所以，不失一般性，使用一个贴片辐射单元的串馈阵列天线作为具体应用实施例。在本实施例中，该天线是应用于76GHz汽车毫米波防撞雷达的串馈阵列天线，其中PCB板材的介电常数为3.1，损耗正切角为0.01。如图9所示，不加贴片辐射单元之前，天线工作在76.4GHz附近，其参数结果如图11所示。如图8所示，在其中一个单元上增加贴片辐射单元后，天线工作在75.4GHz附近，其参数结果如图10所示。

具体的，在图8中，展示了本发明实施例的串馈阵列天线，只设置了一个贴片辐射单元，而图9展示了普通的串馈阵列天线。在本实施例中，贴片辐射单元采用介电常数为7.1陶瓷材料的长方形基体(损耗正切角为0.002)，上下表面具备光滑的高导电率金属化层，焊接在其中的PCB辐射贴片上。

为了体现本发明实施例能够缩小体积的效果，在本实施例中，保持PCB基板上的单元不变，对比焊接辐射贴片单元之前的和之后的S11参数。对比的结果如图10和图11所示，其中New antenna是指图10中所示设置一个贴片辐射单元的阵列天线的S11参数；而Normalantenna是指图11中所示普通的串馈阵列天线的S11参数。其中增加贴片辐射单元前后，S11参数最低点向低频移动大约1GHz，所以如果需要保持与原来谐振点相同，可以缩小辐射贴片的面积。

为了能够证明本发明实施例能增加天线之间的隔离度，设置两个串馈阵列天线相距77GHz二分之一波长的间距(约1.95mm)。同样对比两种情况，可以看出，普通的天线之间的隔离度≤15dB，增加贴片辐射单元后，隔离度≥18dB，至少增加了3dB的隔离度。具体如图12所示，展示了设置两个串馈阵列天线相距77GHz二分之一波长的间距示意图，对应的参数结果示意如图13所示。

进一步地，图14展示了设置两个串馈阵列天线在76GHz～77GHz之间隔离度≥18dB的间距示意图，对应的参数结果示意如图15所示。然而，与之对应的普通天线之间在76GHz～77GHz之间隔离度≤15dB。

需要说明的是，本发明上述实施例中是以微带串馈阵列天线为例进行说明，不失一般性，本发明实施例对于并联馈电的微带阵列天线同样有效。

综上，根据本发明实施例的微带阵列天线，包括辐射单元结构，该辐射单元结构由贴片辐射单元和PCB板上的辐射单元组成，进而由多个辐射单元结构组阵，形成串馈和并馈的微带阵列天线，且辐射单元结构的数量和位置可成本需求、性能需求及结构需求等进行配置，从而利于缩小微带阵列天线的面积，增加隔离度。。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种微带阵列天线，其特征在于，包括：

辐射单元结构，所述辐射单元结构的数量和位置可根据特定需求进行配置，所述特定需求至少包括成本需求、性能需求及结构需求中的一个或多个。

2.如权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，还包括：

与所述辐射单元结构相互串联或并联的贴片辐射单元结构，所述贴片辐射单元结构的数量可配置。

3.如权利要求1或2所述的微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元结构，包括：基板；

设置在所述基板之上的辐射贴片；

与所述辐射贴片相连的馈电结构；

设置在所述辐射贴片之上的辐射单元，其中，所述辐射单元具有介质材料结构本体，以及设置在所述介质材料结构本体之上相对的第一金属面和第二金属面，所述辐射单元通过所述第一金属面与所述辐射贴片相连。

4.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元和所述辐射贴片通过焊接的方式相连。

5.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述介质材料结构本体的介电常数大于所述基板的介电常数。

6.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述馈电结构为馈电探针或馈电微带线。

7.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述介质材料结构本体由陶瓷材料、有机材料或者复合材料构成。

8.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元结构的数量为多个。

9.如权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，多个所述辐射单元结构之中介质材料结构本体的尺寸不同。

10.如权利要求1-9任一项所述的微带阵列天线，其特征在于，所述辐射单元结构为立体结构或者平面结构。

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