CN112768914A - 一种3×4宽带波束固定阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种3×4宽带波束固定阵列天线，包括上层金属板、下层金属板、介质板、主馈线、3组总分支和12个辐射贴片，其中：所述上层金属板、下层金属板和介质板均为长方形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述所述介质板的下表面；所述介质板中间开有中间层，所述主馈线、3组总分支和12个辐射贴片均设置于所述中间层中，所述主馈线沿所述介质板的长度方向设置，所述3组总分支分别间隔固定距离与所述主馈线连接，所述3组总分支分别包括4个分支，所述3组总分支共12个分支具有长度差，所述3组总分支共12个分支分别与1个辐射贴片连接。本发明通过3组共12个分支的长度差实现波束固定的辐射特性。

Description

一种3×4宽带波束固定阵列天线
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，更具体地，涉及一种3×4宽带波束固定阵列天线。
背景技术
波束固定天线是在无线通信中常用的一种天线，它可以在固定方向辐射，可以用在卫星通信和点对点通信中。传统的能实现波束固定的天线有串馈阵列天线。部分漏波天线也可以看成是串馈阵列天线，但是会有波束色散的情况，减小波束色散，实现波束固定的方法包括耦合的基片集成波导天线，超材料天线和超表面天线等，但是这些天线的设计都比较复杂。
公开日为2017年11月24日，公开号为CN107394381A的中国专利公开了一种基于堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，包括：由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接2层的金属化通孔构成的圆极化天线单元、由金属化通孔腔体及4个天线单元构成的2×2天线子阵、由金属化通孔构成的16路全并行馈电网络、馈电层和金属腔及天线之间用于耦合馈电的缝隙、用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)之间的转接结构，但是该天线的设计比较复杂。
发明内容
本发明提供一种3×4宽带波束固定阵列天线，实现了波束固定且带宽大，同时具备易集成和容易加工的优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种3×4宽带波束固定阵列天线，包括上层金属板、下层金属板、介质板、主馈线、3组总分支和12个辐射贴片，其中：
所述上层金属板、下层金属板和介质板均为长方形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述所述介质板的下表面；
所述介质板中间开有中间层，所述主馈线、3组总分支和12个辐射贴片均设置于所述中间层中，所述主馈线沿所述介质板的长度方向设置，所述3组总分支分别间隔固定距离与所述主馈线连接，所述3组总分支分别包括4个分支，所述3组总分支共12个分支具有长度差，所述3组总分支共12个分支分别与1个辐射贴片连接。
优选地，所述上层金属板、下层金属板和介质板的长度相等，所述介质板的宽度长于上层金属板、下层金属板的宽度，所述上层金属板和下层金属板沿着所述介质板的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板、下层金属板和介质板重合的区域为重合区域。
优选地，所述介质板为固体电介质。
优选地，所述中间层距离所述介质板的上表面和下表面的距离相等。
优选地，所述主馈线和3组总分支共12个分支在所述间层的位置处于所述重合区域内，所述12个辐射贴片在所述间层的位置处于所述重合区域外。
优选地，所述主馈线的长度与所述上层金属板、下层金属板、介质板的长度相等。
优选地，所述3组总分支为第一总分支、第二总分支和第三总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支通过所述第一接线结构与所述主馈线连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支通过所述第二接线结构与所述主馈线连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支通过所述第三接线结构与所述主馈线连接。
优选地，所述第一接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第一总分支的4个分支间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构的第一段的长度比所述第一接线结构的第一段的长度长Δy毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比所述第二接线结构的第一段的长度长Δy毫米。
优选地，所述第一总分支的4个分支均为L型分支，所述第一总分支的4个L型分支的一边分别与所述第一接线结构的第四段连接，所述第一总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第一总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第一总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第一总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第二总分支的4个分支均为L型分支，所述第二总分支的4个L型分支的一边分别与所述第二接线结构的第四段连接，所述第二总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第二总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第二总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第二总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第三总分支的4个分支均为L型分支，所述第三总分支的4个L型分支的一边分别与所述第三接线结构的第四段连接，所述第三总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第三总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第三总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第三总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米。
优选地，所述辐射贴片与重合区域的距离为g毫米。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过3组共12个分支的长度差实现波束固定的辐射特性，同时本发明的结构可以采用了印刷电路板技术，具有易集成和易加工的特点。
附图说明
图1为实施例的透视图；
图2为实施例的俯视图；
图3是实施例的侧视图；
图4是实施例的反射系数和增益图；
图5是实施例的辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 上层金属板 2 下层金属板
3 介质板 4 主馈线
5 分支 6 辐射贴片
W<sub>g</sub> 介质板宽度 L<sub>g</sub> 介质板长度
W<sub>m1</sub>(mm) 馈线宽度 ε<sub>r</sub> 介质板介电常数
L<sub>p</sub> 贴片长度 W<sub>p</sub> 贴片宽度
Δy(mm) 分支高度差 L(mm) 分支间的距离
ΔL(mm) 分支长度差 W<sub>m</sub>(mm) 分支宽度
g(mm) 贴片与金属板距离 h(mm) 单层板厚度
L<sub>1</sub>(mm) 贴片与馈线距离
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种3×4宽带波束固定阵列天线，如图1至3，包括上层金属板1、下层金属板2、介质板3、主馈线4、3组总分支和12个辐射贴片6，其中：
所述上层金属板1、下层金属板2和介质板3均为长方形板，所述上层金属板1贴合于所述介质板3的上表面，所述下层金属板2贴合于所述所述介质板3的下表面；
所述介质板3中间开有中间层，所述主馈线4、3组总分支和12个辐射贴片6均设置于所述中间层中，所述主馈线4沿所述介质板3的长度方向设置，所述3组总分支分别间隔固定距离与所述主馈线4连接，所述3组总分支分别包括4个分支5，所述3组总分支共12个分支5具有长度差，所述3组总分支共12个分支5分别与1个辐射贴片6连接。在本实施例中，辐射贴片6的长度与宽度为8mm与2mm
所述上层金属板1、下层金属板2和介质板3的长度相等，所述介质板3的宽度长于上层金属板1、下层金属板2的宽度，所述上层金属板1和下层金属板2沿着所述介质板3的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板1、下层金属板2和介质板3重合的区域为重合区域。在本实施例中，上层金属板1与下层金属板2的长度为180mm，介质板3的长度、宽度和厚度分别为180mm，35mm与1.6mm。
所述介质板3为固体电介质。
所述中间层距离所述介质板3的上表面和下表面的距离相等。
所述主馈线4和3组总分支共12个分支5在所述间层的位置处于所述重合区域内，所述12个辐射贴片6在所述间层的位置处于所述重合区域外。
所述主馈线4的长度与所述上层金属板1、下层金属板2、介质板3的长度相等。
所述3组总分支为第一总分支、第二总分支和第三总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支5通过所述第一接线结构与所述主馈线4连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支5通过所述第二接线结构与所述主馈线4连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支5通过所述第三接线结构与所述主馈线4连接。
所述第一接线结构包括四段，第一段为从主馈线4出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板3的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板3的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第一总分支的4个分支5间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从主馈线4出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板3的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板3的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支5等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从主馈线4出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板3的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板3的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板3的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支5等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构的第一段的长度比所述第一接线结构的第一段的长度长Δy毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比所述第二接线结构的第一段的长度长Δy毫米。
在本实施例中，所述3组总分支共12个分支5的宽度均为0.3mm，ΔL取3.3，Δy取0.5mm，主馈线4的度为3mm
所述第一总分支的4个分支5均为L型分支5，所述第一总分支的4个L型分支5的一边分别与所述第一接线结构的第四段连接，所述第一总分支的4个L型分支5的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第一总分支的4个L型分支5的另一边与所述辐射贴片6连接，所述第一总分支的4个L型分支5的另一边依次减少ΔL毫米，所述第一总分支的4个L型分支5的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第二总分支的4个分支5均为L型分支5，所述第二总分支的4个L型分支5的一边分别与所述第二接线结构的第四段连接，所述第二总分支的4个L型分支5的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第二总分支的4个L型分支5的另一边与所述辐射贴片6连接，所述第二总分支的4个L型分支5的另一边依次减少ΔL毫米，所述第二总分支的4个L型分支5的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第三总分支的4个分支5均为L型分支5，所述第三总分支的4个L型分支5的一边分别与所述第三接线结构的第四段连接，所述第三总分支的4个L型分支5的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第三总分支的4个L型分支5的另一边与所述辐射贴片6连接，所述第三总分支的4个L型分支5的另一边依次减少ΔL毫米，所述第三总分支的4个L型分支5的另一边的最长长度为3ΔL毫米。
所述辐射贴片6与重合区域的距离为g毫米。
该天线采用印刷电路板技术制作而成。
在具体实施过程中，天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，长度为180mm，宽度为35mm，总厚度为1.6mm的电介质层上；上层金属板1和下层金属板2的长度为180mm，分支5，馈线及贴片在天线的正中间层，分支5间的距离为6.7mm，分支5间的高度差为0.5mm，分支5间的长度差为3.3mm，分支5宽度为0.3mm，馈线长度为180mm，宽度为3mm。
图4是本发明的反射系数和增益系数，从图4中可以看出天线阻抗带宽(|S11|<-10dB)约为30％，带宽大，最大增益为9.1dBi。
图5是本发明工作在9.0，10.0，11.0GHz的辐射方向图，可以看到天线的方向图稳定，波束固定。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，包括上层金属板、下层金属板、介质板、主馈线、3组总分支和12个辐射贴片，其中：
所述上层金属板、下层金属板和介质板均为长方形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述所述介质板的下表面；
所述介质板中间开有中间层，所述主馈线、3组总分支和12个辐射贴片均设置于所述中间层中，所述主馈线沿所述介质板的长度方向设置，所述3组总分支分别间隔固定距离与所述主馈线连接，所述3组总分支分别包括4个分支，所述3组总分支共12个分支具有长度差，所述3组总分支共12个分支分别与1个辐射贴片连接。
2.根据权利要求1所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述上层金属板、下层金属板和介质板的长度相等，所述介质板的宽度长于上层金属板、下层金属板的宽度，所述上层金属板和下层金属板沿着所述介质板的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板、下层金属板和介质板重合的区域为重合区域。
3.根据权利要求2所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述介质板为固体电介质。
4.根据权利要求3所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述中间层距离所述介质板的上表面和下表面的距离相等。
5.根据权利要求4所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述主馈线和3组总分支共12个分支在所述间层的位置处于所述重合区域内，所述12个辐射贴片在所述间层的位置处于所述重合区域外。
6.根据权利要求5所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述主馈线的长度与所述上层金属板、下层金属板、介质板的长度相等。
7.根据权利要求6所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述3组总分支为第一总分支、第二总分支和第三总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支通过所述第一接线结构与所述主馈线连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支通过所述第二接线结构与所述主馈线连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支通过所述第三接线结构与所述主馈线连接。
8.根据权利要求7所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述第一接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第一总分支的4个分支间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从主馈线出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反；所述第二总分支的4个分支等间隔L毫米的连接于第四段上；
所述第二接线结构的第一段的长度比所述第一接线结构的第一段的长度长Δy毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比所述第二接线结构的第一段的长度长Δy毫米。
9.根据权利要求8所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述第一总分支的4个分支均为L型分支，所述第一总分支的4个L型分支的一边分别与所述第一接线结构的第四段连接，所述第一总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第一总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第一总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第一总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第二总分支的4个分支均为L型分支，所述第二总分支的4个L型分支的一边分别与所述第二接线结构的第四段连接，所述第二总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第二总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第二总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第二总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米；
所述第三总分支的4个分支均为L型分支，所述第三总分支的4个L型分支的一边分别与所述第三接线结构的第四段连接，所述第三总分支的4个L型分支的一边的长度依次增加Δy毫米；所述第三总分支的4个L型分支的另一边与所述辐射贴片连接，所述第三总分支的4个L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述第三总分支的4个L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米。
10.根据权利要求9所述的3×4宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片与重合区域的距离为g毫米。
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