CN113659351A - 一种毫米波宽波束微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波宽波束微带阵列天线，包括：第一PCB基板(1)、支撑PCB板(2)、引向片(4)以及第二PCB基板(8)；支撑PCB板(2)设置在第一PCB基板(1)与第二PCB基板(8)之间，以将第二PCB基板(8)固定在第一PCB基板(1)正上方，其中支撑PCB板(2)设有多个金属过孔(6)，多个金属过孔(6)按照一定规则等间距排布，且间距根据微带阵列天线的工作频段进行设置；引向片(4)设置在第二PCB基板(8)上，与第二PCB基板(8)共同构成单面板。通过上述方式，引向片通过支撑PCB板进行支撑，其形状可以根据需求随意裁剪，进一步地可以在支撑PCB板增加金属化过孔，从而起到金属屏蔽的作用，可降低多个宽波束辐射单元之间的耦合作用。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信设备技术领域，尤其涉及一种毫米波宽波束微带阵列天线。
背景技术
天线作为车载雷达收发电磁波的装置，对汽车雷达传感器有着至关重要的作用。在卫星通信地面终端产品中，早期的汽车雷达系统中，经常选用平板喇叭阵列天线形式，喇叭阵列天线具有辐射效率高、交叉极化鉴别率优良的优点，但同时也存在无法电扫描、剖面高、无法集成化设计的缺点。为了解决扫描问题，就需要在天线内部添加机械转动电机和轴承天线等器件，这样就无疑会更加增加整机成本和重量，从而无法到达自适应跟踪的目的。
当印刷电路技术的发展使平面天线在毫米波频段也能使用时，突破口出现了，由于平面天线结构更加紧凑，而且可以以非常低的成本批量生产，因此更适合商业使用。为了解决喇叭阵列天线剖面高、无法电扫描、重量较重、无法集成化设计的问题，微带阵列相控天线以其显著的优异性能和灵活的工作方式在卫星通信系统的应用逐渐广泛。但是微带阵列相控天线存在辐射单元间互耦强、大角度扫描增益下降快等技术缺点。针对上述微带阵列天线的缺点，业内人士提出了一系列的改善措施，包括：
(1)降低辐射单元表面波耦合的高阻表面、接地过孔：可以很好的利用微带天线便于集成化设计的有点，将高阻表面、接地过孔等内置在天线板中，基本不会增加天线板的加工成本；
(2)降低辐射单元空间辐射耦合的引向片、隔离片：由于引向片、隔离片等器件需要以一定的高度间距放置在天线板的正上方，因此无法实现与天线板集成设计在一起。此外目前支撑引向片、隔离片等器件一般会采用开模塑料件、泡沫板等，开模塑料件结构强度高、可实现局部电镀，但是开模成本高、修改极其不便，往往随着频段的改变，需要重新开模设计，泡沫板价格便宜、修改容易，但是结构强度弱并且装配成本高。
发明内容
鉴于毫米波微带阵列天线的优势非常明显，其应用前景十分明朗，本发明的目的是提供一种毫米波宽波束微带阵列天线，用于解决降低辐射单元空间辐射耦合的引向片、隔离片等器件的支撑问题，并在此结构基础上在辐射单元间添加隔离墙来改善耦合问题，实现宽波束微带阵列天线。
本发明提供了一种毫米波宽波束微带阵列天线，所述微带阵列天线包括：
第一PCB基板(1)、支撑PCB板(2)、引向片(4)以及第二PCB基板(8)；
所述支撑PCB板(2)设置在所述第一PCB基板(1)与所述第二PCB基板(8)之间，以将所述第二PCB基板(8)固定在所述第一PCB基板(1)正上方；
所述引向片(4)设置在所述第二PCB基板(8)上，与所述第二PCB基板(8)共同构成单面板；
所述支撑PCB板(2)设有多个金属过孔，所述多个金属过孔按照一定规则等间距排布，且所述间距根据微带阵列天线的工作频段进行设置。
进一步地，所述微带阵列天线还包括隔离片(5)，所述隔离片设置在所述支撑PCB板(2)或所述第二PCB基板(8)上。
进一步地，所述微带阵列天线还包括辐射片(3)，所述辐射片(3)设置在所述第一PCB基板(1)上。
进一步地，所述支撑PCB板(2)上设置有开槽缝(7)，所述开槽缝(7)的物理中心与所述辐射片(3)的物理中心重合，所述开槽缝(7)设置在所述辐射片(3)的正上方。
进一步地，所述开槽缝(7)的尺寸大于所述辐射片(3)的尺寸,所述开槽缝(7)的形状可变。
进一步地，在每个所述辐射片(3)正上方均设置一个所述开槽缝(7)。
进一步地，在相邻的多个所述辐射片(3)正上方设置一个所述开槽缝(7)。
进一步地，多个所述金属过孔(6)根据开槽缝(7)的形状进行排布。
进一步地，所述间距为1mm。
进一步地，所述第一PCB基板(1)、支撑PCB板(2)以及所述第二PCB基板(8)之间通过多个螺钉固定连接。
本发明提供的一种毫米波宽波束微带阵列天线，具有如下有益效果：
(1)引向片的支撑利用现有PCB板的厚度进行阵列天线设计和加工，不需要再开模定制支撑引向片、隔离片等器件。
(2)支撑PCB板的裁剪形状可随意改变，修改程序简单。
(3)支撑PCB板具有足够的强度，利用一定数量螺钉就可以固定，加工方便。
(4)在支撑PCB板上加工过孔以解决毫米波大型阵列隔离墙的问题，设计简单，可降低波束辐射单元之间的耦合问题，实现了较低的波束扫描增益下降。
(5)支撑PCB板通过在PCB表面预留线路作为隔离条的作用，结构简单。
附图说明
图1为根据本发明实施例的添加金属化过孔的4x4微带阵列天线侧视结构示意图。
图2为根据本发明实施例的4x4金属化过孔阵列侧视结构示意图。
图3为根据本发明实施例的4x4金属化过孔阵列俯视结构示意图。
图4为根据本发明实施例的在每个辐射片正上方添加开槽缝的4x4微带阵列天线俯视结构示意图。
图5为根据本发明实施例的在相邻2X2个辐射片正上方添加开槽缝情况下的开槽缝俯视结构示意图。
图6为根据本发明实施例的在相邻2X2个辐射片正上方添加开槽缝情况下的隔离墙侧视结构示意图。
图7为根据本发明实施例的未添加金属化过孔方向图。
图8为根据本发明实施例的添加金属化过孔后方向图。
图9为根据本发明实施例的4x12金属化过孔阵列结构示意图。
图10(a)为根据本发明实施例的扫描59度增益曲线。
图10(b)为根据本发明实施例的扫描59度轴比曲线。
图10(c)为根据本发明实施例的扫描0度增益曲线。
图10(d)为根据本发明实施例的扫描0度轴比曲线。
图11(a)为根据本发明实施例的扫描59度增益曲线。
图11(b)为根据本发明实施例的扫描59度轴比曲线。
图11(c)为根据本发明实施例的扫描0度增益曲线。
图11(d)为根据本发明实施例的扫描0度轴比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
鉴于此设计方法形成的结构形式适用于毫米波任何频段和任何天线极化方式，为了便于说明，本实施例所涉及到的器件工作频段为17.7GHz-21.2GHz，天线极化方式为双圆极化。
如图1所示，毫米波宽波束微带阵列天线，包括：第一PCB基板1、支撑PCB板2、辐射片3、引向片4、隔离片5、金属过孔6、开槽缝7以及第二PCB基板8；此结构图为4x4小型阵列，横向和纵向均为4个单元，单元间距为了平衡整个频段内的增益性能，取频点20GHz的半波长，即7.5mm。需要说明的是：本实施例不涉及到双圆极化天线的极化实现方式，故而结构图中不包含与此相关的部件。
其中：辐射片3布置在第一PCB基板1上，实现将第一电流转换成电磁波辐射出去；引向片4布置在第二PCB基板8上，与第二PCB基板8一起构成单面板，用于改善微带天线的性能，包括：带宽、轴比等指标。
由于本实施例中工作频段较高，为了降低第二PCB基板8对整个阵列增益的影响，本实施例中选择第二PCB基板8厚度为1mil。因此第二PCB基板8厚度非常薄，其物理结构不是很稳定，此时需要支撑PCB板2将第二PCB基板8平整的固定在第一PCB基板1正上方。通过分析现有技术中开模塑料件和泡沫板的优缺点，本实施例采用PCB板来代替传统的模塑料件和泡沫板进行支撑，板材选用价格低廉的FR4板材，其厚度选取板材商固有厚度，不需要定制。
隔离片5布置在支撑PCB板2或者第二PCB基板8上，线宽和线长可根据需要随时调整，用于降低辐射单元间耦合的作用。与隔离片5功能类似，金属过孔6也起到降低辐射单元间耦合的作用，可以预加工在支撑PCB板2上，多个金属过孔6按照一定规则等间距密集排布，该一定规则例如金属过孔的排布采用阵列的形式，比如2*2阵列或者3*3阵列进行设计，其间距可根据微带阵列天线的实际工作频段来选取，本实施例取1mm，当然本领域技术人员可以根据实际改善耦合的指标需要设定其他间隔数值，只要不超出本领域技术人员的合理的设计范围。金属过孔6的功能等效于屏蔽金属层，将其命名为隔离墙，用于降低多个宽波束辐射单元之间的耦合作用；其外形侧视图如图2所示。添加隔离墙后的阵列如图3所示，
为了降低支撑PCB板2对整机增益的不良影响，在支撑PCB板2上布置开槽缝7，用于降低支撑PCB板2对整机增益的不良影响，开槽缝7的物理中心与辐射片3的物理中心重合，即开槽缝7在辐射片3的正上方，开槽缝7的尺寸大于辐射片3的尺寸,开槽缝7的形状可随意改变；可以选择在每个辐射片3正上方布置一个开槽缝7，如图4所示，此状态为状态1，对应隔离墙如图2所示，也可在相邻的2X2个辐射片3正上方布置一个开槽缝7，如图5所示，此状态为状态2，对应隔离墙如图6所示；可以理解的是，多个金属过孔6采用阵列排布方式，其形状可根据开槽缝7的形状进行排布，且多个金属过孔6排布在开槽缝7的外周。例如如图4所示，可以在每个辐射片3正上方都布置多个金属过孔6，如图5所示；也可以在2X2个辐射片3正上方布置多个金属过孔6。鉴于考虑保证第二PCB基板8的平整度，不建议在大于相邻的3X3个辐射片3正上方布置一个开槽缝7。
微带阵列天线要实现低的大角度扫描增益下降，需要配套设计一款宽波束辐射单元。为了验证隔离墙展宽波束宽度的效果，本实施例提供一个4X4微带天线阵列，如图1所示，其横向和纵向均为4个单元，单元间距为了平衡整个频段内的增益性能，取频点20GHz的半波长，即7.5mm；该微带天线阵列通过专业电磁仿真软件HFSS进行仿真验证，结果如下图7、8所示。其中图7是未添加隔离墙的条件下方向图，此时频点21.2GHz对应的3dbB波束宽度为仅为90°左右，此波束宽度不利于大角度扫描；在图7仿真状态下添加隔离墙，如图2所示，对应的方向图仿真结果如图8所示，此时3个频点对应的3dbB波束宽度均可展宽10°左右，并且交叉极化也略有改善。
为了进一步验证多个金属过孔6形成的隔离墙在改善大角度扫描增益下降方面的效果，本发明还提供了一个4X12的微带天线阵列案例，如图9所示。其横向为4个单元，纵向为12个单元，单元间距为了平衡整个频段内的增益性能，取频点20GHz的半波长，即7.5mm；该微带天线阵列通过专业电磁仿真软件HFSS对21.2GHz频点进行对比仿真验证，其纵向大角度扫描结果如下图10(a)-(d)以及图11(a)-(d)所示。分析对比仿真结果可知，可以得出如下结论：
(1)、添加隔离墙前，法向增益22.2dBi，法向轴比2.3dB；添加隔离墙后，法向增益22.1dBi，法向轴比2.2dB，即添加隔离墙对法向增益和轴比几乎无影响；
(2)、添加隔离墙前，扫描59度增益17.2dBi，相对法向增益下降5dB，扫描59度轴比4.6dB，相对法向轴比下降2.3dB；添加隔离墙后，扫描59度增益17.6dBi，相对法向增益下降4.5dB，扫描59度轴比2.4dB,相对法向轴比仅下降0.2dB，即添加隔离墙后，扫描增益下降改善0.5dB,扫描轴比下降改善2.1dB。
本实施例提供的一种毫米波宽波束微带阵列天线，具有如下有益效果：
(1)利用现有PCB板的厚度进行阵列天线设计和加工，不需要开模定制支撑引向片、隔离片等器件。
(2)器件的裁剪形状可随意改变，修改程序简单。
(3)PCB板具有足够的强度，利用一定数量螺钉就可以固定，加工方便。
(4)在PCB板上加工过孔以解决毫米波大型阵列隔离墙的问题，设计简单，耦合问题改善效果好，实现了较低的波束扫描增益下降。
(5)通过在PCB表面预留线路作为开槽缝，充当隔离条的作用，结构简单。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种毫米波宽波束微带阵列天线，其特征在于，所述微带阵列天线包括：
第一PCB基板(1)、支撑PCB板(2)、引向片(4)以及第二PCB基板(8)；
所述支撑PCB板(2)设置在所述第一PCB基板(1)与所述第二PCB基板(8)之间，以将所述第二PCB基板(8)固定在所述第一PCB基板(1)正上方；
所述引向片(4)设置在所述第二PCB基板(8)上，与所述第二PCB基板(8)共同构成单面板；
所述支撑PCB板(2)设有多个金属过孔(6)，所述多个金属过孔(6)按照一定规则等间距排布，且所述间距根据微带阵列天线的工作频段进行设置。
2.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述微带阵列天线还包括隔离片(5)，所述隔离片设置在所述支撑PCB板(2)或所述第二PCB基板(8)上。
3.根据权利要求2所述的微带阵列天线，其特征在于，
所述微带阵列天线还包括辐射片(3)，所述辐射片(3)设置在所述第一PCB基板(1)上。
4.根据权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于，所述支撑PCB板(2)上设置有开槽缝(7)，所述开槽缝(7)的物理中心与所述辐射片(3)的物理中心重合，所述开槽缝(7)设置在所述辐射片(3)的正上方。
5.根据权利要求4所述的微带阵列天线，其特征在于，所述开槽缝(7)的尺寸大于所述辐射片(3)的尺寸,所述开槽缝(7)的形状可变。
6.根据权利要求5所述的微带阵列天线，其特征在于，在每个所述辐射片(3)正上方均设置一个所述开槽缝(7)。
7.根据权利要求5所述的微带阵列天线，其特征在于，在相邻的多个所述辐射片(3)正上方设置一个所述开槽缝(7)。
8.根据权利要求4所述的微带阵列天线，其特征在于，多个所述金属过孔(6)根据开槽缝(7)的形状进行排布。
9.根据权利要求8所述的微带阵列天线，其特征在于，所述间距为1mm。
10.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其特征在于，所述第一PCB基板(1)、支撑PCB板(2)以及所述第二PCB基板(8)之间通过多个螺钉固定连接。
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