CN112201952B - 一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线，包括：第一介质基板；第二半固化片；第三介质基板；第四半固化片；第五介质基板；印制在所述第一介质基板的上表面的第一金属覆层；印制在所述第一介质基板下表面的第二金属覆层；印制在所述第二层介质基板下表面的第三金属覆层；以及印制在所述第三层介质基板的下表面的第四金属覆层。与传统微带阵列天线相比，本发明采用串联角馈微带阵列，并采用金属化通孔进行馈电，具有宽带、体积紧凑、厚度小、成本低等特点。

Description

一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线。

背景技术

天线是无线移动通信系统和雷达系统的重要组成部分。无线通信和雷达的快速发展，对低副瓣和具有特定波束倾角的天线产生迫切需求。通过控制波束的倾斜角度，可以显著的抑制干扰信号，提高系统容量。串馈微带天线是实现倾斜波束的一种有效和经济的方法，同时微带天线还具有低剖面、重量轻、便于加工、成本低廉、易于与微波电路共面集成等优点，因此，串馈微带天线阵与并馈天线阵相比，结构更紧凑，体积更小。副瓣电平是天线的一个十分重要的参数。现有的串馈微带天线阵，一般利用切比雪夫分布、泰勒分布等经典分布算法，利用阵元振幅的锥削分布，实现对副瓣电平的抑制。

近年来，波束扫描天线多采用机械方式和电子方式实现，机械式波束扫描方法需要机械扫描装置来实现天线主波束倾角，但该结构过于复杂、体积大、成本高、且不易于加工，相控阵天线通过独立控制各个辐射单元的相对幅度和相位，可实现多波束指向，此类天线辐射孔径固定不变，是理想的波束扫描天线，但是相控阵天线具有复杂的波束成形网络，网络损耗大，且TR组件造价昂贵。因此如何结合微带天线和馈电网络技术研制出宽频带、低损耗、易集成的波束倾角天线是目前急需解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线，采用多层结构及一体化集成馈电网络，降低天线体积，增加集成度，布局巧妙，结构新颖，天线具有较低的副瓣，辐射效率高；兼具小型化、宽频带、低副瓣特性，布局巧妙，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线，包括：

第一介质基板；

第二半固化片；

第三介质基板；

第四半固化片；

第五介质基板；

印制在所述第一介质基板的上表面的第一金属覆层；

印制在所述第一介质基板的下表面的第二金属覆层；

印制在所述第三介质基板的下表面的第三金属覆层；以及

印制在所述第五介质基板的下表面的第四金属覆层。

可选地，所述第一金属覆层包括：

六条串馈微带线阵，每条所述串馈微带线阵包括串联的六块串馈方形贴片。

可选地，相邻两个串馈方形贴片之间通过一段3λ_g/4主微带线和一段λ_g/4阻抗变换线相连。

可选地，还包括：

贯穿第一介质基板、第二半固化片、第三介质基板、第四半固化片以及第五介质基板的第一金属化过孔，其一头位于所述第一介质基板的上表面，其另一头与所述第四金属覆层相连。

可选地，还包括：

贯穿第一介质基板、第二半固化片以及第三介质基板的第二金属化过孔，其一头与第一金属覆层相连，其另一头与第三金属覆层相连。

可选地，所述第三金属覆层为馈电网络层，其具体包括：

一个等功分威尔金森功分器，其输入端用于与SMP射频连接器连接；

两个第一不等功分威尔金森功分器，其输入端与所述等功分威尔金森功分器的输出端连接；

两个第二不等功分威尔金森功分器；

其中，所述第一不等功分威尔金森功分器的一输出端与一所述第二不等功分威尔金森功分器的输入端连接，所述第一不等功分威尔金森功分器的另一输出端、所述第二不等功分威尔金森功分器的两个输出端均连接有一弯曲带状线，一所述带状线与一所述第一金属化过孔连接。

可选地，所述带状线上连接有开路枝节。

可选地，所述馈电网络形成有六个输出端口，六个输出端口的电流分布采用Taylor分布。

可选地，六个输出端口的输出功率比值为0.559∶0.785∶1∶1∶0.785∶0.559。

可选地，通过弯曲带状线可实现特定角度波束倾角所需的相移量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

(1)与传统微带阵列天线相比，本发明采用串联角馈微带阵列，并采用金属化通孔进行馈电，具有宽带、体积紧凑、厚度小、成本低等特点。

(2)具有宽带特性，该天线采用多层结构，该结构带来了更好的谐振特性，通过引入两个谐振点，展宽了天线的驻波带宽。此外，通过同时优化金属化通孔的尺寸和开路微带传输线的长度，可在较宽阻抗带宽内获得稳定的天线辐射方向图。

(3)该天线采用角馈方形微带贴片作为辐射单元，该单元具有较大辐射阻抗，易于阻抗匹配。

附图说明

图1为本发明一实施例中的立体结构示意图；

图2是本发明一实施例中的天线的俯视图；

图3是本发明一实施例中的本发明天线的侧视图；

图4是本发明一实施例中的馈电网络结构图；

图5是本发明一实施例中的不等功分威尔金森功分器结构图；

图6是本发明一实施例中的归一化辐射方向图，其中，图6a为yz平面，图6b为xz平面。

具体实施方式

以下结合附图1～6和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1～6所示，本实施例提供的一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线，包括：

第一介质基板11，所选介质材料型号为Rogers5880，介电常数2.2，厚度为1mm；

第二半固化片12，为半固化片，其型号为RF-28，介电常数2.81，厚度为0.1mm；

第三介质基板13，所选介质材料型号为Rogers5880，介电常数2.2，厚度为0.508mm；

第四半固化片14，为半固化片RF-28，介电常数2.81，厚度为0.1mm；

第五介质基板15，所选介质材料型号为Rogers5880，介电常数2.2，厚度为0.508mm；

印制在所述第一介质基板11的上表面的第一金属覆层111；

印制在所述第一介质基板11下表面的第二金属覆层117；

印制在所述第三介质基板13下表面的第三金属覆层130，第三金属覆层130为馈电网络，馈电网络传输线的末端由第二金属化过孔116电连接至第一介质基板11上的每条微带线阵的中心；

印制在所述第五介质基板15的下表面的第四金属覆层151。

第一介质基板11与第一金属覆层111形成该天线的辐射层，第二金属覆层117、第三金属覆层130和第四金属覆层151形成该天线的馈电层，该辐射层与馈电层通过馈电结构连接，该馈电结构为第一金属化通孔115和第二金属化通孔116组成。

可选地，所述第一金属覆层111包括：

六条串馈微带线阵，每条所述串馈微带线阵包括串联的六块串馈方形贴片112；两条相互平行的串馈微带线阵距离为d₁＝6.6mm约0.54λ₀(空气波长)，相邻两个方形贴片112的间距d＝9.04mm约为一个λg(工作波长)，微带贴片边长a＝3.65mm。

可选地，相邻两个串馈方形贴片112之间通过一段3λ_g/4主微带线113和一段λ_g/4阻抗变换线114相连；通过改变阻抗变换线114的特性阻抗来调节单元电流比值，实现泰勒分布，从而获得低副瓣电平。

可选地，还包括：

贯穿第一介质基板11、第二半固化片12、第三介质基板13、第四半固化片14以及第五介质基板15的第一金属化过孔115，其一头位于所述第一介质基板11的上表面，其另一头与所述第四金属覆层151相连；第一金属化过孔115穿越5层介质基板，一头位于第一介质基板11的上表面，另一头与第五介质基板15的下层金属地板相连，该第一金属化过孔115改善了线阵间的耦合，提高了天线增益。

可选地，还包括：

贯穿第一介质基板11、第二半固化片12以及第三介质基板13的第二金属化过孔116，其一头与第一金属覆层111相连，其另一头与第三介质基板13下表面的馈电网络相连，用于微带线阵的耦合馈电。

可选地，所述第三金属覆层130为馈电网络层，其具体包括：

一个等功分威尔金森功分器131，其输入端用于与SMP射频连接器139连接；

两个第一不等功分威尔金森功分器132、133，其输入端与所述等功分威尔金森功分器131的输出端连接；

两个第二不等功分威尔金森功分器134、135；

其中，所述第一不等功分威尔金森功分器的一输出端与一所述第二不等功分威尔金森功分器的输入端连接，所述第一不等功分威尔金森功分器的另一输出端、所述第二不等功分威尔金森功分器的两个输出端均连接有一弯曲带状线137，一所述带状线137与一所述第一金属化过孔116连接。

为了在H平面(YZ面)获得40°波束倾角，通过调节弯曲带状线137的长度可获得每条微带线阵所需的移相量。

可选地，所述带状线上连接有开路枝节138，用于调节馈电网络的阻抗匹配，。

可选地，所述馈电网络形成有六个输出端口，六个输出端口的电流分布采用Taylor分布；六个输出端口的输出功率比值为0.559∶0.785∶1∶1∶0.785∶0.559。

进一步地，通过弯曲带状线可实现特定角度波束倾角所需的相移量。

非等功分威尔金森功分器各特性阻抗可由下式给出：

若功分器输出端口之间的功率比为

k²＝P₃/P₂ (1)

则应用以下的设计公式：

Z₅＝0.95Z₀ (5)

式中，Z₀为主传输线特性阻抗，一般设计为50欧姆，Z₁、Z₂为四分之一波长阻抗变换段的特性阻抗，Z₃、Z₄为阻抗匹配段特性阻抗，Z₅为开路枝节阻抗，R为隔离电阻值。

为了获得低副瓣电平，馈电网络6个输出端口的电流分布应采用Taylor分布，即P1∶P2∶P3∶P4∶P5∶P6＝0.559∶0.785∶1∶1∶0.785∶0.559。采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，根据所需的泰勒电流分布，优化设计馈电网络，以提供线阵所需的电流和相位分布，表1为各功分器仿真所得的电参数。各参数代表的意义已在上文说明。

表1不等功分威尔金森功分器电参数指标

电参数	131	132	133	135	136
						k<sup>2</sup>	1	0.6106	0.6106	0.3123	0.3123
Z<sub>1</sub>(Ω)	70	56.17	56.17	42.82	42.82
						Z<sub>2</sub>(Ω)	70	91.94	91.94	137.11	137.11
Z<sub>3</sub>(Ω)	50	44.19	44.19	37.38	37.38
						Z<sub>4</sub>(Ω)	50	56.58	56.58	66.88	66.88
R(Ω)	100	102.9	102.9	117.4	117.4

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种宽带大倾角低副瓣微带阵列天线，其特征在于，包括：

第一介质基板；

第二半固化片；

第三介质基板；

第四半固化片；

第五介质基板；

印制在所述第一介质基板的上表面的第一金属覆层；

印制在所述第一介质基板的下表面的第二金属覆层；

印制在所述第三介质基板下表面的第三金属覆层；以及

印制在所述第五介质基板的下表面的第四金属覆层；

所述第一金属覆层包括：

六条串馈微带线阵，每条所述串馈微带线阵包括串联的六块串馈方形贴片；

贯穿第一介质基板、第二半固化片以及第三介质基板的第二金属化过孔，其一头与第一金属覆层相连，其另一头与所述第三金属覆层相连；

所述第三金属覆层为馈电网络层，其具体包括：

一个等功分威尔金森功分器，其输入端用于与SMP射频连接器连接；

两个第一不等功分威尔金森功分器，其输入端与所述等功分威尔金森功分器的输出端连接；

两个第二不等功分威尔金森功分器；

其中，所述第一不等功分威尔金森功分器的一输出端与一所述第二不等功分威尔金森功分器的输入端连接，所述第一不等功分威尔金森功分器的另一输出端、所述第二不等功分威尔金森功分器的两个输出端均连接有一弯曲带状线，一所述带状线与一所述第一金属化过孔连接；

贯穿第一介质基板、第二半固化片、第三介质基板、第四半固化片以及第五介质基板的第一金属化过孔，其一头位于所述第一介质基板的上表面，其另一头与所述第四金属覆层相连。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，相邻两个串馈方形贴片之间通过一段3λ_g/4主微带线和一段λ_g/4阻抗变换线相连。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述带状线上连接有开路枝节。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络形成有六个输出端口，六个输出端口的电流分布采用Taylor分布。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，六个输出端口的输出功率比值为0.559∶0.785∶1∶1∶0.785∶0.559。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，通过弯曲带状线可实现特定角度波束倾角所需的相移量。

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