CN113346230A - 一种波束自由偏转的平面微带天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波束自由偏转的平面微带天线阵列，包括介质层，天线辐射体和地板层，天线辐射体为由多个单元阵子和多个传输线移相单元串联馈电而成的同一层覆铜板，贴合在介质层上，传输线移相单元增加电磁波传播路径，从而改变了单元阵子间的相移角度，实现指定方向波束偏转。本发明由于不需要增加额外的移相器、超材料表面或者功分器，因此在设计难易程度和加工成本上具有明显的优势，在保持良好增益和旁瓣电平的的同时，能实现指定方向波束偏转。

Description

一种波束自由偏转的平面微带天线阵列
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种波束自由偏转的平面微带天线阵列。
技术背景
目前毫米波防撞系统主要由收发天线、射频前端电路和后端信号处理模块组成。阵列天线系统位于最前端，其性能指标关系到整个雷达系统的性能好坏。为解决不同应用环境下的防撞问题，要求阵列天线具有较大的俯仰角来实现不同角度的信号探测，因此产品天线阵列需具备高效灵活的波束扫描方式，传统的波束扫描手段包括机械扫描，模拟/数字波束成型，反射阵列，增加超材料平面或者增加寄生单元等，其中机械扫描存在低扫描率和低分辨率的问题，模拟/数字波束成型需要引入大量的移相器，会带来高插损，增加成本等影响，加载超材料或者寄生单元则需要增加天线阵列的尺寸，甚至还需要增加其他的有源器件，这也增加了系统的复杂性。
常规移相方法包含反射型移相器，加载线式移相器，开关线式移相器和高通/低通滤波器式移相器。反射型移相器的基本原理是在均匀传输线的终端接入，利用开关变换负载的阻抗特性，从而改变负载反射系数的相位，使入射波和反射波之间产生相位移。加载线式移相器，就是在均匀传输线上以可控电抗元件进行并联或串联加载，通过电抗值的改变在电路中引入一个相移量。开关线式移相器是基于延迟线电路理论的，分为开关串联形式和开关并联形式。当信号通过低通会出现相位延迟，而通过高通滤波器会出现相位超前，利用二极管开关让电路在高通和低通之间切换就可能得到一个相移量。高通/低通移相器可以产生比其他类型移相器更小的相移量，而且它的工作频率带可以与反射式移相器相比拟。
中国专利CN103401075B公开了一种低剖面板状定向天线，需要在介质层和天线层之间打孔，连接介质层和天线层，这种方法加工非常麻烦。中国专利CN111106441A公开了一种基于人工表面等离子体激元的小型化定向辐射天线，额外的增加了一些超材料结构，也就是人工电磁表面。中国专利CN106067595B公开了一种超宽带电小定向天线，通过平行微带双线导连接后端金属化过孔实现对微带贴片环的馈电。现有技术中移相方法都是需要增加一个较为复杂的装置，或使用其他单元或寄生结构，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种波束自由偏转的平面微带天线阵列。本发明针对特殊应用场景，从阵列天线本身出发，无需增加移相器或者其他有源器件，也无需加载其他超材料单元或者寄生结构，根据特定的应用环境来设计特定方向的主瓣方向，通过改变阵元间传输线长度来实现每个阵元的配相，同时传输线的尺寸根据所需要的主瓣波束偏转角度推算而来。
本发明公开的一种波束自由偏转的平面微带天线阵列，包括介质层，天线辐射体和地板层，所述天线辐射体为由多个单元阵子和传输线移相单元串联馈电而成的同一层覆铜板，贴合在介质层上，所述传输线移相单元增加电磁波传播路径，改变所述单元阵子间的相移角度，实现指定方向波束偏转。
进一步的，对于指定方向偏转的波束角度
Figure 984DEST_PATH_IMAGE001
，所述传输线移相单元使得单元阵子间的相移角度变化
Figure 135031DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 198802DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步的，所述单元阵子的数量为23个，所述传输线移相单元数量为22个。
进一步的，所述传输线移相单元为折线结构。
进一步的，所述折线结构为方形，三角形或梯形。
进一步的，介质层的介电常数为3，介质损耗因子为0.0001,介质厚度为0. 127mm。
进一步的，天线整体尺寸为38×4×0.127mm 3 。
本发明的有益效果如下：
阵列天线研究的核心在于相位差对齐，这也是波束形成的基本问题。波束形成就是通过调整各阵元之间的相移值，调整波束指向。本发明由于不需要增加额外的移相器、超材料表面或者功分器，因此在设计难易程度和加工成本上具有明显的优势，在保持良好增益和旁瓣电平的的同时，能实现指定方向波束偏转。
附图说明
图 1本发明的平面微带天线阵列与原始阵列对比图；
图 2本发明一种波束自由偏转的平面微带天线阵列示意图；
图 3本发明的平面微带天线阵列详细结构图；
图4本发明的波束角度与阵元间的相移角度示意图；
图5本发明的驻波比；
图6未使用本发明的阵列3D方向图；
图7使用本发明后的阵列3D方向图；
图8使用不同尺寸传输线后的阵列二维方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
现有技术中天线阵列包括介质层，天线辐射体和地板层，如图1、图2和图3所示，本发明公开的一种波束自由偏转的平面微带天线阵列，在馈线两侧相对设置的单元阵子之间设置传输线移相单元，各天线单元阵子的间隔为接收信号的波长一半。
本发明根据不同的空间角度所需的天线辐射能量来进行波束偏转设计。如图4所示，波束指向与瞄准线相距
Figure 741910DEST_PATH_IMAGE004
的方向，波束距离视平线的角度为
Figure 207526DEST_PATH_IMAGE005
，偏转角度的求解原理就在于波程差、波程时延差和相位的对应关系，三者有简单的确定关系，可有如下推导公式：
Figure 997627DEST_PATH_IMAGE006
Figure 800892DEST_PATH_IMAGE007
Figure 334641DEST_PATH_IMAGE008
c = 3 × 108 m/s
Figure 405497DEST_PATH_IMAGE009
Figure 632079DEST_PATH_IMAGE010
元件间隔正好等于信号波长的一半，则可以进一步简化为：
对于
Figure 670442DEST_PATH_IMAGE011
，有
Figure 725991DEST_PATH_IMAGE012
其中d为天线阵子之间的间隔，
Figure 431779DEST_PATH_IMAGE013
是雷达接收信号波长，L是波程差。
因此根据所需要偏转的波束角度
Figure 563683DEST_PATH_IMAGE004
，则可以推算出阵元间的相移角度
Figure 840075DEST_PATH_IMAGE005
。
对电磁波而言，经过不同电长度的传输线，传输线上对应的位置相位是不一致的，在
Figure 715627DEST_PATH_IMAGE014
范围内做周期性运动。本发明利用传输线进行相位变换是需要根据天线阵列的特殊应用环境来进行设计的。对于特殊应用环境使用的雷达接收信号的波长是固定的，本发明针对这种固定信号波长的雷达，各天线单元阵子的间隔为接收信号的波长一半，在天线阵子之间再增加传输线移相单元，增加电磁波传播路径，从而改变了单元阵子间的相移角度，根据公式
Figure 250821DEST_PATH_IMAGE003
，对应的波束角度
Figure 819205DEST_PATH_IMAGE004
也会变化，因此使阵列波束产生偏转。
传输线尺寸根据阵元所需要的相位角度和加工难易程度来共同决定的。要实现阵元输入相位的变化，传输线的位置需要放置在阵元的馈电端口，因为本实施例的阵列形式是树状，所以传输线的位置是放置在阵元之间，但不论阵列形式如何变化，整体设计思路就是需要在能量馈入天线辐射体之前调整入射波的相位。传输线移相单元由具有结构的传输线组成。
传输线的结构可以为各种形状，本实施例中传输线为折线结构，如图3所示，折线结构为方形，包括3个端部，其中两个端部平行，另一个端部与这两个端部垂直，形成方形凹陷结构或方形凸起结构。折线结构也可以为三角形，包括两个端部，两个端部相对形成三角形结构。折线结构还可以是梯形形状，包括三个端部，这三个端部组成梯形凹陷结构或梯形凸起结构。在某些实施例中，传输线还可以是弧形或半圆形。
传输线和阵列天线为同一层覆铜板，贴合在介质板上，中间为介质层，R3003，介电常数为3，介质损耗因子为0.0001,介质厚度为0. 127mm。
阵列单元阵子数量是根据所需要的增益值大小，旁瓣电平和产品限定的天线区域来共同确定的。通常理论上阵元数量增加一倍，增益值会增加3dB，但随着阵元数量的增加，增益值也不会无限增加，甚至会出现下降的效果，因此需要对阵列天线的个数进行软件仿真优化设计。在本实施例中，阵列阵子的个数为23，传输线移相单元的数量为22。
图5为本发明使用的天线阵列的驻波比，可见使用本发明的天线阵列后，增加传输线结构在增加了移相功能后并没有影响整体天线辐射性能。
图6为对未加移相传输线的天线阵列的3D辐射方向图，图7为加载了移相传输线的天线阵列的3D辐射方向图，从图中可以明显观察到，使用本发明后，主瓣方向的指向发生了偏移。同时针对不同的移相传输线尺寸做设计分析，可以发现，移相传输线的尺寸决定了主瓣方向的偏转角度。
进一步对比不同尺寸的传输线对阵列主瓣方向的影响，图8为本发明的阵列二维方向图（E-平面），纵轴代表增益值，横轴代表不同的俯仰角度；对比四种传输线尺寸，传输线1到传输线3，尺寸由短到长，可以直观的发现，不同尺寸的传输线对应不同指向的主瓣方向，而且增益值保持稳定，仅对主瓣方向做调整，实现了波束偏转。
本实施例中天线整体尺寸为38×4×0.127mm 3,天线阻抗特性可以通过调整馈线宽度或者使用微带阻抗变换器来实现。
本发明的有益效果如下：
由于不需要增加额外的移相器、超材料表面或者功分器，因此在设计难易程度和加工成本上具有明显的优势。在保持良好增益和旁瓣电平的的同时，能实现指定方向波束偏转。
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波束自由偏转的平面微带天线阵列，包括介质层，天线辐射体和地板层，其特征在于，所述天线辐射体为由多个单元阵子和多个传输线移相单元串联馈电而成的同一层覆铜板，贴合在介质层上，所述传输线移相单元增加电磁波传播路径，改变所述单元阵子间的相移角度，实现指定方向波束偏转。
2.根据权利要求1所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，对于指定方向偏转的波束角度θ，所述传输线移相单元使得单元阵子间的相移角度变化
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
3.根据权利要求1所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，所述单元阵子的数量为23个，所述传输线移相单元数量为22个。
4.根据权利要求1所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，所述传输线移相单元为折线结构。
5.根据权利要求4所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，所述折线结构为方形，三角形或梯形。
6.根据权利要求1所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，介质层的介电常数为3，介质损耗因子为0.0001,介质厚度为0. 127mm。
7.根据权利要求1所述的波束自由偏转的平面微带天线阵列，其特征在于，天线整体尺寸为38×4×0.127mm 3 。
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