CN113471706A

CN113471706A - 一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列

Info

Publication number: CN113471706A
Application number: CN202110736693.0A
Authority: CN
Inventors: 范奎奎; 谭青权; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113471706B

Abstract

本发明提出一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列。微带线结构传输线广泛应用于平面电路中，微带线为半开放空间结构，工作在毫米波段及更高频段时会产生较大的寄生辐射，不仅会降低天线辐射效率，还会对通信系统内其他部件产生电磁干扰。本发明采用电磁带隙结构将其覆盖在微带馈电网络上方的方式，使电磁波快速衰减，从而抑制微带馈电网络产生的寄生辐射。该方式设计结构简单，成本低廉。

Description

一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，可应用于毫米波汽车雷达、无人机避障雷达、智能交通雷达等系统。

背景技术

随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。天线作为毫米波雷达系统收发前端最关键的器件之一，其主波束宽度、副瓣电平、增益、带宽等关键指标很大程度决定了整个系统的性能，而这些指标又是相互联系的，需要在实际工程设计时折衷设计。副瓣电平是天线的关键技术指标之一，较低的副瓣可以提高信噪比，降低主波束外杂波信号的影响，可以有效提高整个系统的抗干扰能力，因此超低副瓣天线是目前阵列天线设计的热点和难点，是实现现代高性能雷达的关键技术之一。

在微带天线低副瓣阵列设计中，微带馈线产生的寄生辐射会对天线的副瓣电平造成干扰，低副瓣电平的实现非常困难。微带孔径耦合馈电阵列通过把馈电网络和天线置于介质不同层以减少馈电网络寄生辐射对阵列的影响，但又会让天线的后向辐射能量增大。电磁带隙结构(Electromagnetic bandgap,EBG)是一种具有频率带隙的周期性电磁结构，20世纪90年代末，D.Sievenpiper和E.Yablonovitch提出了一种优越的电磁带隙结构，他们称其为高阻电磁表面(High Impedance Surface:HIS)。2009年，国际著名电磁学专家瑞典查尔姆斯理工大学的P-S.Kildal教授在其当年发表的论文中首次提出了间隙波导的概念，指出理想电导体表面(PEC)与高阻抗电磁表面之间空气间隙高度小于工作频率的四分之一波长时，在高阻抗表面中加入导带，可以实现电磁波的定向传输，且传输的主模为准TEM模，并称其为间隙波导，目前基于间隙波导的研究都集中在其传输特性，将其应用在高频传输线中。

发明内容

本发明的目的是针对现有的二维平面微带天线阵列的缺点，通过引入电磁带隙结构，抑制微带线的寄生辐射和表面波辐射，提出一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，能够解决现有微带馈电技术中存在的寄生辐射和表面波耦合等缺陷。该天线采用电磁带隙结构覆盖在微带馈电网络上方的方式，实现了对微带线微带馈电网络寄生辐射的抑制，相应的，天线阵列方向图的副瓣电平有了极大的改善。这种方式不仅结构简单，原理清晰，且易于加工，设计成本低，具有非常大的应用潜力。

本发明的具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列为多层垂直排布结构，包括：

电磁带隙结构，包括金属板，以及位于金属板下表面的周期性分布的金属柱；

平面微带天线阵列，位于电磁带隙结构的下方；所述平面微带天线阵列与电磁带隙结构间留有空气间隙；

其中：

所述的平面微带天线阵列包括k个微带天线阵列(k≥2)、第一金属面、介质板、第二金属面；

所述的第一金属面位于介质板的上表面，且与电磁带隙结构的金属柱间留有空气间隙；

所述的第一金属面开槽，且槽内放置微带馈电网络，即微带馈电网络采用接地共面波导馈线形式，且该微带馈电网络被电磁带隙结构需完整覆盖；所述的微带馈电网络与第一金属面间留有间隙；其中第一金属面位于开槽两侧部分设有周期性分布的金属化通孔；该金属化通孔贯穿介质板，连接第一金属面、第二金属面；

所述的微带馈电网络拥有一个信号输入端，k个信号输出端；上述k个信号输出端分别与对应的微带天线阵列的信号输入端连接；

所述的每个微带天线阵列为串馈微带天线阵列，由n个贴片单元组成，贴片单元数量根据对增益要求设置。

所述的第二金属面位于介质板的下表面，且与介质板形状尺寸相同。

作为优选，所述的k个微带天线阵列等间距设置，且与第一金属面处于同一平面。

作为优选，整个微带馈电网络位于第一金属面开槽内，且微带天线阵列位于第一金属面外侧。

作为优选，金属板与第一金属面的形状尺寸可相同或不同。

作为优选，第一金属面、微带天线阵列均位于介质板的上表面，微带天线阵列所在介质板部分宽度小于等于第一金属面所在介质板部分宽度。

作为优选，k个微带天线阵列的宽度小于微带天线阵列所在介质板部分的宽度。

作为优选，空气间隙高度hg满足hg<λ₀/4；λ₀为微带天线的中心工作频率所对应的波长。

作为优选，微带天线阵列上所有贴片单元宽度Wi采用锥削设计，从两侧往中间宽度逐渐增加。

作为优选，微带天线阵列上贴片单元采用不等间隔设置。

作为优选，微带天线阵列呈中心对称设置。

作为优选，微带天线阵列的信号输入端通过一阻抗变换单元与微带馈电网络的信号输出端连接。

作为优选，相邻两金属柱的间距p应小于λ₀/2。

作为优选，金属柱高度d应小于工作带宽的最低频率所对应波长的四分之一。

作为优先，电磁带隙结构大于等于微带馈电网络，且在微带馈电网络两侧设置2-3排金属柱。

具体工作原理：当天线工作时，覆盖在微带馈电网络上方的电磁带隙结构为高阻抗表面，和第二金属面形成类似间隙波导结构，位于第一金属面微带馈电网络则相当于加在高阻抗表面和PCE表面的金属导带，可以实现电磁波沿着金属导带以准TEM模定向传输。在位于微带馈电网络两侧的接地区域内，上方的电磁带隙结构和接地区域第二金属面会形成频率较宽的阻带，侧向区域电磁波会很快衰减，电场主要集中微带馈电网络馈线区域，在馈线区域外，能量迅速衰减为零。微带馈电网络产生的电磁波辐射无法向外传播，从而实现对微带馈电网络的寄生辐射抑制。

本发明具有以下优点：

(1)该天阵列结合电磁带隙结构，不仅没有影响阵列本身的反射系数还成功的抑制了微带馈电网络的杂散辐射。

(2)与普通微带阵列天线相比，该阵列有更低的旁瓣电平和更好的波束对称性。

(3)该阵列与微带孔径耦合馈电阵列相比后向辐射更低，且馈线与阵列位于同一层，易于设计和加工。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的微带平面阵列结构的俯视图；

图5是本发明的电磁带隙结构的电场强度分布图。

图6是本发明的反射系数与参考天线的反射系数仿真对比图；

图7是本发明与参考天线阵列在79GHz的归一化E面和H面辐射方向图仿真对比；

图8是本发明与参考天线阵列在78.5GHz的归一化E面和H面辐射方向图仿真对比；

图9是本发明与参考天线阵列在79.5GHz的归一化E面和H面辐射方向图仿真对比；

图中标记：第一金属面M1、第一介质基片S1、第二金属面M2、金属板B1、金属柱1、两侧的三排金属柱2、微带天线阵列3、阻抗变换器4、微带馈电网络5。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1所示，寄生辐射抑制功能的阵列天线为多层垂直排布结构，包括电磁带隙结构、平面微带天线阵列；平面微带天线阵列位于电磁带隙结构的下方并与电磁带隙结构之间留有空气间隙，空气间隙高度hg＝0.2mm；

如图2、3所示，所述的电磁带隙结构包括金属板B1以及于位于金属板B1下表面的周期性分布(12行8列)的横截面为正方形的金属柱1。金属板B1厚度为1mm。相邻金属柱中心间隔为p＝1.1mm，金属柱横截面边长为a＝0.4mm，高度为d＝0.7mm。所述的电磁带隙结构完整覆盖整个微带馈电网络并在微带馈电网络两侧多保留了三排金属柱2，使能量彻底衰减为零。

所述的平面微带天线阵列包括6个微带天线阵列3、第一金属面M1、第一介质基片S1、第二金属面M2；第一金属面位于介质板下表面，第二金属面位于介质基板上表面；其中介质板为RO3003,厚度为0.127mm。

所述的第一金属面开槽，且槽内放置微带馈电网络5，即微带馈电网络采用接地共面波导馈线形式；所述的微带馈电网络与第一金属面间留有间隙；其中第一金属面的开槽两侧开有周期性分布的金属化通孔；该金属化通孔贯穿介质基板，连接第一金属面、第二金属面；

所述的微带馈电网络采用1分6的串馈微带功分器；

如图4所示，所述的每个微带天线阵列为串馈微带天线阵列，6个串馈微带天线阵列沿y方向轴向等间距放置，间距为2.45mm。

所述串馈微带天线阵列由10个贴片单元组成，沿着x方向轴向放置，串馈微带天线阵列呈中心对称设置，贴片单元宽度采用锥削设计，从中间宽度往两侧依次递减，宽度比例依次为1:0.91:0.76:0.57:0.22，其中位于中心的贴片宽度1.4mm。

所述的串馈微带天线阵列的贴片单元间隔采用不等间隔，以减少中心频点外相位的累积，相邻贴片中心距离取值范围在0.98λg～1.02λg之间，λg为79GHz对应当介质波长。

所述的串馈微带阵列的输入端通过阻抗变换器4连接到微带馈电网络的输出端，与馈线实现良好的阻抗匹配。

图5为微带共面波导出的电场强度分布，其中白色部分代表电场较强，黑色代表电场为零。从图中可以看出，电场主要集中场微带馈电网络馈线区域，在馈线区域外，能量迅速衰减为零，微带馈电网络产生的杂波无法向外辐射传播，从而实现对微带馈电网络的寄生辐射抑制。

图6为仿真的参考阵列和本发明设计的阵列的反射系数对比图。其中参考阵列为没有加电磁带隙结构的平面微带天线阵列，可以看到，两者的反射系数曲线几乎一样，-10dB频带均在77.2-80.4GHz左右。图7，图8，图9分为仿真的参考阵列和本发明设计的阵列在中心频点(79GHz),低频(78.5GHz),高频(79.5GHz)的E面和H面归一化辐射方向图仿真对比，可以看出，本发明设计的天线相比于参考阵列在E面和H面方向图副瓣上都有非常明显的改善，本发明设计的阵列方向图主瓣都非常对称，而参考阵列E面方向图的主瓣则有些许不对称。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，为多层垂直排布结构，其特征在于包括：

其中：

所述的第一金属面开槽，且槽内放置微带馈电网络，且该微带馈电网络被电磁带隙结构需完整覆盖；所述的微带馈电网络与第一金属面间留有间隙；其中第一金属面位于开槽两侧部分设有周期性分布的金属化通孔；该金属化通孔贯穿介质板，连接第一金属面、第二金属面；

所述的微带馈电网络拥有一个信号输入端，k个信号输出端；上述k个信号输出端分别与对应的微带天线阵列的信号输入端连接；整个微带馈电网络位于第一金属面开槽内，且微带天线阵列位于第一金属面外侧；

2.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于所述的每个微带天线阵列为串馈微带天线阵列，由n个贴片单元组成，贴片单元数量根据增益要求设置；k个微带天线阵列等间距设置，且与第一金属面处于同一平面。

3.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于金属板与第一金属面的形状尺寸可相同或不同。

4.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于第一金属面、微带天线阵列均位于介质板的上表面，微带天线阵列所在介质板部分宽度小于等于第一金属面所在介质板部分宽度。

5.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于k个微带天线阵列的宽度小于微带天线阵列所在介质板部分的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于空气间隙高度hg满足hg<λ₀/4；λ₀为微带天线的中心工作频率所对应的波长。

7.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于微带天线阵列上贴片单元采用不等间隔设置；微带天线阵列呈中心对称设置。

8.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于微带天线阵列的信号输入端通过一阻抗变换单元与微带馈电网络的信号输出端连接。

9.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于相邻两金属柱的间距p小于λ₀/2，金属柱高度d应小于工作带宽的最低频率所对应波长的四分之一。

10.根据权利要求1所述的一种具有寄生辐射抑制功能的低副瓣天线阵列，其特征在于电磁带隙结构尺寸大于等于微带馈电网络尺寸。