CN112821091B - W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，属于天线技术领域。本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，从上到下依次包括辐射贴片层、玻璃基板和反射板层，其中辐射贴片层包括16个串馈微带贴片子阵和一套混合馈电网络；每个所述串馈微带贴片子阵包括至少2个辐射贴片，相邻贴片之间间隔1λg，其中，λg为中心频率导波波长；所述混合馈电网络包括1个1分8不等功分器2和8个1分2等功分器3；所述1分8不等功分器中各分口的间距采用整数倍导波波长间距。本发明能够改善当前常用的微带阵列天线存在着馈线网络损耗大、波束指向有色散等局限性，适用于高精度实时成像系统。

Description

W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线。
背景技术
近年来，高精度实时成像系统在安检安防领域的应用需求与日俱增。受益于更短的波长和更大的带宽，W波段实时成像系统受到更多的青睐。为了能够对待测目标形成高精度的实时图像，这类系统需要具备窄波束特性，为此需要配备大的天线孔径。在此前的研究中，常用的方案是采用并馈微带阵列天线，不过由于并馈网络的传输路径长，会产生大的馈线损耗，这影响到阵列天线的增益，进而影响实时成像系统的有效距离。为了解决这个问题，后来又出现了串馈微带阵列天线，这种阵列中馈电网络高度复用、传输路径相对较短，具有馈线损耗低、结构紧凑等优点。然而，串馈微带阵列天线由于孔径渡越存在明显的色散，宽带工作模式时不同工作频率所对应的波束指向不一致，从而影响成像系统的成像质量。这是串馈微带阵列天线的明显缺陷，特别是对于大孔径/超大孔径阵列天线，频域色散会变得不可接受。
为了提高实时成像系统的成像距离和成像质量，需要降低W波段阵列天线的馈电网络损耗，提升阵列天线增益，抑制阵列天线色散。因此，有必要提出更适合W波段高精度实时成像系统应用的微带阵列天线方案。
发明内容
本发明目的是提供一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，能够改善当前常用的微带阵列天线存在着馈线网络损耗大、波束指向有色散等局限性，适用于高精度实时成像系统。
具体地说，本发明提供了一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，从上到下依次包括辐射贴片层、玻璃基板和反射板层，其中辐射贴片层包括16个串馈微带贴片子阵和一套混合馈电网络；
每个所述串馈微带贴片子阵包括至少2个辐射贴片，相邻贴片之间间隔1λg，其中，λg为中心频率导波波长；
所述混合馈电网络包括1个1分8不等功分器2和8个1分2等功分器3；所述1分8不等功分器中各分口的间距采用整数倍导波波长间距。
进一步而言，每个所述串馈微带贴片子阵包括26个辐射贴片。
进一步而言，所述1分8不等功分器中各分口的间距为3λg。
进一步而言，每个所述串馈微带贴片子阵中的贴片阻抗进行加权设计，不同阻抗对应不同贴片宽度。
进一步而言，对所述串馈微带贴片子阵进行中间对称馈电。
进一步而言，通过控制所述1分8不等功分器分叉处1/4波长阻抗变换段的阻抗来实现幅度加权，不同阻抗对应不同1/4波长阻抗变换段的宽度。
进一步而言，所述1分2等功分器采用功率等分设计。
进一步而言，所述玻璃基板采用厚度为0.15mm的纯石英玻璃。
本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线的有益效果如下：
本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，通过混合馈电网络将串馈微带贴片子阵有机组合起来，使得馈电网络损耗显著减小，从而提高阵列天线增益。同时，本发明还对串馈微带贴片子阵采用了中间对称馈电方式，可消除阵列天线的色散效应，不同工作频率所对应的波束均指向阵列法向(零色散)，有效解决串馈微带阵列天线存在的色散问题。高增益和零色散特性使得本发明所提出的W波段玻璃基微带阵列天线在高精度成像应用方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例的总体结构示意图。
图2是本发明实施例的串馈微带贴片子阵示意图。
图3是本发明实施例的1分8不等功分器示意图。
图4是本发明实施例的叠层剖面示意图。
图中标识：1-串馈微带贴片子阵，2-1分8不等功分器，3-1分2等功分器，4-辐射贴片层，5-玻璃基板，6-反射板层。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的一个实施例1，为一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，包括16个串馈微带贴片子阵1和1套混合馈电网络，如图1所示。
每个串馈微带贴片子阵1包括至少2个辐射贴片，相邻贴片之间间隔1λg(λg为中心频率导波波长)，这样可以保证每个串馈微带贴片子阵1中的所有贴片处于相位同步状态；优选的，在另一个实施例2中，每个串馈微带贴片子阵1包括26个辐射贴片。混合馈电网络包括1个1分8不等功分器2和8个1分2等功分器3。1分8不等功分器2中各分口的间距采用整数倍导波波长间距，优选的，在另一个实施例中，1分8不等功分器2中各分口的间距为3λg；采用整数倍导波波长间距可以保证8个1分2等功分器3的总口之间保持相位同步，最后使得16个串馈微带贴片子阵1的馈电口之间保持相位同步。1分8不等功分器采用了串馈/并馈混合馈电网络，显著减小馈线网络路径长度，降低馈线损耗，最终实现更高的阵列增益。
进一步的，为了在E面实现低副瓣方向图，在另一个实施例中，对每个串馈微带贴片子阵1中的贴片阻抗进行了加权设计，不同阻抗对应不同贴片宽度。
需要指出的是，现有的单侧馈电的串馈微带阵列天线存在色散效应，不同工作频率所对应的波束指向不一致。为了解决这个问题，在另一个实施例中，对串馈微带贴片子阵进行中间对称馈电，可以使得不同工作频率所对应的波束指向不存在色散(零色散)，从而避免单侧馈电所导致的波束指向色散问题。
为了在H面实现低副瓣方向图，在另一个实施例中，对1分8不等功分器2进行加权设计，通过控制1分8不等功分器2分叉处(分口1～分口8)1/4波长阻抗变换段的阻抗来实现幅度加权，不同阻抗对应不同1/4波长阻抗变换段的宽度，从而控制功分比，使得功分网络结构紧凑，功分比可灵活控制。
进一步的，在另一个实施例中，1分2等功分器3采用功率等分设计，可减少H面的幅度加权台阶数，降低阵列天线的设计和加工难度，由此产生的方向图量化瓣与第一副瓣电平相当。
最终，通过这些巧妙设计，使得本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线中所有微带辐射贴片全部处于相位同步状态，波束指向为阵列法向，并基于上述两维幅度加权形成低副瓣阵列方向图。
本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，从结构上看可分为三层，从上到下分别是辐射贴片层4、玻璃基板5和反射板层6，如图4所示。其中玻璃基板5采用厚度为0.15mm的纯石英玻璃，相对介电常数为3.78。与毫米波段天线设计中常用的硅基材料相比，纯石英玻璃基板具有更低的相对介电常数、更小的介质损耗和良好的加工性能，更易实现与有源电路的集成，这进一步保证了本发明所提出的W波段玻璃基微带阵列天线具有更高的增益。
下面对本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线的工作原理进行详细阐述：
如图1所示，以微带阵列天线工作在发射状态为例说明，当激励信号馈入到微带阵列天线的总口后，1分8不等功分器对此进行幅度加权，再经过8个1分2等功分器后馈入到16个串馈微带贴片子阵1中，辐射贴片通过阻抗设计实现幅度加权。通过上述两维幅度加权，阵列天线最终可形成E面和H面的低副瓣方向图。
如图2所示，串馈微带贴片子阵1采用的是27.0dB的切比雪夫幅度加权，加权系数相对馈电点对称分布，正中间到两侧贴片的幅度加权系数分别是1.00、0.97、0.91、0.83、0.73、0.63、0.51、0.40、0.30、0.23、0.19、0.17、0.16。仿真结果表明，E面方向图可实现-22.5dB的最高副瓣电平。
如图3所示，1分8不等功分器2采用的是27.0dB的切比雪夫幅度加权，加权系数相对总馈电端口对称分布，8个输出端口的加权系数分别是0.43、0.60、0.85、1.00、1.00、0.85、0.60、0.43。仿真结果表明，基于1分8不等功分器2和1分2等功分器3，H面方向图可实现-22.4dB的最高副瓣电平。
综上所述，本发明的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，通过采用低损耗混合馈电网络和中间对称馈电，使得阵列天线具有高增益和零色散等特性，可有效解决传统微带阵列天线存在的固有问题，在高精度成像应用方面具有重要应用价值。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，从上到下依次包括辐射贴片层、玻璃基板和反射板层，其中辐射贴片层包括16个串馈微带贴片子阵和一套混合馈电网络；对所述串馈微带贴片子阵进行中间对称馈电；
每个所述串馈微带贴片子阵包括至少2个辐射贴片，相邻贴片之间间隔1λg，其中，λg为中心频率导波波长；
所述混合馈电网络包括1个1分8不等功分器(2)和8个1分2等功分器(3)；所述1分8不等功分器中各分口的间距采用整数倍导波波长间距；
所述1分2等功分器采用功率等分设计；
所述玻璃基板采用纯石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，每个所述串馈微带贴片子阵包括26个辐射贴片。
3.根据权利要求1所述的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，所述1分8不等功分器中各分口的间距为3λg。
4.根据权利要求1所述的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，每个所述串馈微带贴片子阵中的贴片阻抗进行加权设计，不同阻抗对应不同贴片宽度。
5.根据权利要求1所述的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，通过控制所述1分8不等功分器分叉处1/4波长阻抗变换段的阻抗来实现幅度加权，不同阻抗对应不同1/4波长阻抗变换段的宽度。
6.根据权利要求1所述的W波段高增益零色散玻璃基微带阵列天线，其特征在于，所述玻璃基板采用厚度为0.15mm的纯石英玻璃。
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