CN201081850Y

CN201081850Y - 微带天线阵列

Info

Publication number: CN201081850Y
Application number: CNU2007200571427U
Authority: CN
Inventors: 李兴锐; 杜水荣
Original assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2017-09-18

Abstract

本实用新型公开了一种微带天线阵列，包括由若干微带天线单元组成的天线阵列结构，以及阵列馈电网络，所述阵列馈电网络通过传输线向天线阵列结构中的各微带天线单元提供激励，所述阵列馈电网络中的相邻传输线之间设有耦合隔离元件，用于隔离相邻传输线之间的电磁耦合。本实用新型通过在阵列馈电网络的相邻传输线之间增加电磁耦合隔离元件，减小传输线之间的间距和馈电网络所占据的空间，从而缩小整个微带天线阵列的尺寸。另外，选取幅度坡变的激励信号对微带天线阵列激励，使得该天线拥有很低的副瓣电平，使专用短程通信(DSRC)设备具有较高的通信质量，并且不干扰其它设备和被其它设备干扰。

Description

微带天线阵列

技术领域

本实用新型涉及涉及智能交通系统中的专用短程通信(DSRC)技术领域，特别是一种用于专用短程通信设备中的微带天线阵列。

背景技术

专用短程通信(Dedicated Short Range Communication，简称DSRC)是通过特定的车载设备(本文称为电子标签，On-Board Units，简称OBU)与路边设备(本文称为微波基站，Road-Side Units，简称RSU)之间的无线通信，实现车辆与路网、车辆与车辆之间的信息交互，并结合计算机信息技术和自动控制技术可实现电子不停车收费(Electronic Toll Collection，简称ETC)、车辆自动辨识(AVI)、运输车辆电子自动管理、海关智能通关、车辆安全驾驶诱导、交通信息广播等智能交通(ITS)子系统，是道路电子化方面的首选手段和基础性技术。

天线作为专用短程通信(DSRC)设备中无线电信号接收、发射的终端，它有两方面的作用：一是将来自预定空间的电磁波转换为电流信号；二是将电流信号转换为空间电磁波并向预定空间辐射出去，以满足专用短程通信(DSRC)设备在预定区域内的通信要求。

随着各种无线电设备数量的不断增加，设备间的距离逐渐减小。在这种情况下，为了避免设备间的相互干扰，对接收、发射天线的方向性提出了较高的要求。接收、发射天线除了满足对应用区域内的覆盖，还要避免覆盖到应用区域以外，以防止对临近设备造成干扰和临近设备对自身设备造成干扰。因此，设计出覆盖区域合理的天线就显得十分必要，这就需要天线阵列的副瓣电平尽量低。根据阵列天线理论，均匀阵列的副瓣电平不会低于-13.5dB，这样的副瓣电平不能满足DSRC通信的覆盖要求，必须对阵列各单元进行不等幅的激励。

由于智能交通系统中的专用短程通信设备都是安装在室外，并且一般采用悬挂在立柱或支架上的安装方式，因此，如果设备的体积太大，必然会影响其安装的稳定性、防风能力等，从外观上来说，太大的体积也会影响设备外形的美观。所以，智能交通系统中的专用短程通信设备的小型化是很有必要的。而天线的尺寸是影响该设备体积最主要的因素之一，故在保证天线性能的前提下缩小天线的尺寸是十分有意义的。

微带天线有诸多优点，如低剖面、低成本、馈电灵活、易于实现圆极化等，这种形式的天线已经广泛应用于各种无线通信领域，但目前尚未看到微带阵列天线应用于智能交通系统中专用短程通信(DSRC)设备的专利文献。

发明内容

针对上述实际问题，本实用新型的目的在于提供一种覆盖区域合理，缩小天线阵列尺寸的微带天线阵列。

本实用新型所采用的技术方案：一种微带天线阵列，包括由若干微带天线单元组成的天线阵列结构，以及阵列馈电网络，所述阵列馈电网络通过传输线向天线阵列结构中的各微带天线单元提供激励，所述阵列馈电网络中的相邻传输线之间设有耦合隔离元件，用于隔离相邻传输线之间的电磁耦合。

上述天线阵列结构是由16个微带天线单元组成的4×4阵列，阵列中相邻微带天线单元的行间距、列间距均相等。所述微带天线单元的行间距为0.8～0.9个空间波长，列间距为0.6～0.7个空间波长。

上述微带天线单元为圆极化微带天线单元。所述微带天线单元的主极化特性为左旋圆极化，或者右旋圆极化。

上述微带天线单元为微带贴片天线，或者微带槽缝天线。

上述传输线为微带传输线，或者共面波导传输线，或者带状线传输线。

上述耦合隔离元件为金属化通孔，或者非中空的金属销钉，或者金属壁，或者跨越传输线。

上述阵列馈电网络与微带天线单元可以处于同一介质层，其传输线直接与微带天线单元连接，并为微带天线单元提供激励。所述阵列馈电网络与微带天线单元亦可以处于不同介质层，其传输线不与微带天线单元直接连接，通过耦合方式为微带天线单元提供激励。所述阵列馈电网络与微带天线单元还可以处于不同介质层，其传输线通过金属销钉与微带天线单元连接，并为线单元提供激励。

上述天线阵列结构中处于阵列中心、阵列边缘、以及阵列边缘角落的微带天线单元所受的激励信号互不相等。

本实用新型具有以下显著特点：

(1)通过在阵列馈电网络的相邻传输线之间增加电磁耦合隔离元件，使相邻传输线之间的间距大大缩减，可以大幅度的减小馈电网络所占据的空间，从而缩小整个微带天线阵列的尺寸。

(2)选取幅度坡变的激励信号对微带天线阵列激励，使得该天线拥有很低的副瓣电平，使专用短程通信(DSRC)设备具有较高的通信质量，并且不干扰其它设备和被其它设备干扰。

(3)该微带天线的整体尺寸小，使专用短程通信(DSRC)设备具有较小的体积以满足设备的稳定安装、防风等要求；并可以减少天线所采用的介质基片。

附图说明

图1为本实用新型所述微带天线阵列的结构示意图；

图2为两相邻微带传输线之间加载金属通孔的结构示意图；

图3为两相邻微带传输线之间加载金属销钉的结构示意图；

图4为两相邻微带传输线之间加载金属壁的结构示意图；

图5为两相邻共面传输线之间加载跨越传输线的金属桥的结构示意图；

图6以微带传输线和微带贴片天线为例子，说明馈电网络中的馈线与微带天线单元处于同一层，馈线直接与天线相连，并为其提供激励的情况的结构示意图；

图7以微带传输线和微带贴片天线为例子，说明馈电网络中的馈线与微带天线单元处于不同层，馈线不与天线直接相连，通过耦合为其提供激励的情况的结构示意图；

图8以共面波导传输线和微带贴片天线为例子，说明馈电网络中的馈线与微带天线单元处于不同层，馈线通过销钉与天线相连，并为其提供激励的情况的结构示意图。

上述各附图中的标号意义为：1为微带天线阵列中心的微带天线单元，2为微带天线阵列边缘的微带天线单元，3为微带天线阵列边缘角落的微带天线单元，4为馈电网络，5为金属化通孔，6为相邻的两条微带传输线，7为介质基片背面传输线的金属地面，8为非中空的金属销钉，9为金属壁，10为相邻的两条共面波导传输线，11为跨越传输线的金属桥，12为微带传输线，13为微带天线单元，14为共面波导传输线，15为连接馈线和天线单元的销钉，16为馈线和天线单元之间的耦合槽缝。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型的技术方案及其实施效果作进一步说明。

本实施例采用介电常数为3.38，介质基片厚度为0.813毫米，损耗角正切小于0.0021的微波介质基片材料，经现代光刻工艺制作，应用于智能交通系统的专用短程通信(DSRC)设备中，工作中心频率5.8GHz。

如图1所示，该微带天线阵列为4×4的面阵结构，总共包含16个微带天线单元。微带天线阵列每一行有四个形式相同的圆极化微带天线单元，天线单元之间的列间距相等，约0.6～0.7个空间波长；每一列也有四个形式相同的圆极化微带天线单元，天线单元之间的行间距相等，约0.8～0.9个空间波长。

为了使专用短程通信(DSRC)系统具有高的通信质量并且不干扰其它设备和被其它设备干扰，对处于阵列中不同位置的天线单元使用不同幅度的信号去激励，从而大大降低了副瓣电平，使天线阵列能向规定区域辐射电磁波或接收来自规定区域的电磁波；向规定区域以外辐射的电磁波很弱或几乎不能接收来自规定区域以外的电磁波。如图1，按照微带天线单元在阵列中所处位置不同，将其分为三组：第一组为处于阵列中心的微带天线单元1，第二组为处于阵列边缘的微带天线单元2，第三组为处于阵列边缘角落的微带天线单元3。微带天线阵列由1分16的阵列馈电网络4通过传输线向每个微带天线单元提供激励源，功分网络由多个1分2的功率分配器组合而成，通过各个功分器的控制，使阵列周边的辐射单元的激励幅度相对较低，以达到抑制阵列的辐射方向图副瓣的目的。用相位相同，幅度不同的信号去激励处于阵列中不同位置的每个微带天线单元，如果假定微带天线单元1的激励信号幅度为0.9～1.1，则相对于微带天线单元1，微带天线单元2的激励信号幅度为0.25～0.35，微带天线单元3的激励信号幅度为0.05～0.15。

通常，阵列馈电网络中相邻两条微波传输线之间的距离如果太近，它们之间就会有强烈的互相耦合，导致电磁波无法以正常的传输线模式在传输线上传播，甚至可能引起很大的反射，电磁能量无法顺利通过传输线。此外，微带天线阵列的馈电网络随着天线单元数目的增加会变得越来越庞大，通常是通过多个功率分配器的级联来构成的，又因为传输线之间必须保持一定的间距以保证电磁能量顺利通过传输线(对于微带传输线来说，至少要保持三到五倍线宽的间距)，这样就使得馈电网络所占据的空间十分大，整个天线阵列的尺寸也随之变大。因此，缩减馈电网络的尺寸能有效地减小微带天线阵列尺寸。为了使专用短程通信(DSRC)设备具有较小的体积以满足设备的稳定安装、防风、外形美观等要求，本实用新型通过缩减阵列馈电网络4的尺寸来缩减整个微带天线阵列的尺寸，从而达到减小专用短程通信(DSRC)设备体积的目的。

本实用新型在阵列馈电网络4的传输线之间设有耦合隔离元件，用于隔离相邻传输线之间的电磁耦合。所述耦合隔离元件可以是金属化通孔，或者非中空的金属销钉，或者金属壁，或者跨越传输线等。

如图2所示，在相邻两条微带传输线6之间的适当位置设置直径合适的金属化通孔5，金属化通孔5的一端连接于介质基片背面传输线的金属地面7。该金属化通孔5可以有效阻止电磁场从一条传输线耦合到另一条传输线上，并且该金属化通孔的引入不会引起传输线上电磁波的反射，即便传输线之间距离很近，也能保持良好的隔离度，电磁波能顺利地在传输线上传输。这样就可以使两条相邻的传输线之间的间距大大缩减，以微带传输线为例，两相邻传输线之间的距离可以缩减至不到两倍线宽。通过这种方式，可以大幅度的减小馈电网络所占据的空间，从而缩减了整个微带天线阵列的尺寸。金属化的通孔5的直径视选用的介质基片和加工精度而定，该实施例的通孔直径在1～2毫米之间，通孔距离传输线距离不等，在1～2毫米之间，通孔与通孔之间的中心间距保持在2～6毫米。

此外，除了利用金属化通孔5来减小两相邻传输线之间的距离外，也可以采取其他与金属化通孔类似的形式来代替通孔，达到同样的效果。例如：图3所示为在微带传输线6之间增加非中空的金属销钉8，金属销钉8的一端连接于介质基片背面传输线的金属地面7。图4所示为在微带传输线6之间增加金属壁9，金属壁9的一端连接于介质基片背面传输线的金属地面7。图5所示为附加跨越共面波导传输线10的金属桥11。上述任何一种方式都可以实现减小两条相邻传输线之间互相耦合的目的，从而减小馈电网络所占据的空间，缩减了整个微带天线阵列的尺寸。

微带天线阵列的馈电网络4也可以采取多种传输线形式，比如微带传输线6，或者共面波导传输线10，或者带状线等，这些传输线都可以采用以上所述的方法来减小两条相邻传输线之间的互相耦合，从而构成小尺寸的微带天线阵列的馈电网络，设计出小尺寸的微带天线阵列。

该微带天线阵列的微带天线单元采用微带贴片天线形式。贴片为正方形，边长近似四分之一个波长，并在相对于馈电边的右上角切掉一个边长约为贴片边长十分之一的小正方形，馈电点位于贴片一边的中心点，馈线的特性阻抗约为100欧姆，长度约四分之一波长，起到给贴片天线馈电和实现阻抗匹配的作用。贴片天线单元辐射右旋圆极化电磁波，输入阻抗50欧姆。辐射右旋圆极化电磁波，半功率波瓣宽度17度，增益14dB，副瓣电平从均匀阵列的不低于-13.5dB下降到低于-19dB，能满足对应用区域的覆盖，避免对临近设备造成干扰和临近设备对本设备造成干扰。所述微带天线单元也可以采用微带槽缝天线的形式。

本实用新型所述阵列馈电网络4可通过多种形式向天线阵列结构中的各微带天线单元提供激励，以下举例说明：

如图6所示，以微带传输线和微带贴片天线为例，所述馈电网络中的微带传输线12与微带贴片天线13处于同一介质层，微带传输线12直接与微带贴片天线13连接，并为其提供激励。

如图7所示，以微带传输线和微带贴片天线为例，所述馈电网络中的微带传输线12与微带贴片天线13处于不同的介质层，微带传输线12与微带贴片天线13互不连接，通过耦合方式为其提供激励，图中标号16为微带传输线和微带贴片天线之间的耦合槽缝。

如图8所示，以共面波导传输线和微带贴片天线为例，所述馈电网络中的共面波导传输线14与微带贴片天线13处于不同的介质层，共面波导传输线14通过销钉15与微带贴片天线13连接，并为其提供激励。

通过采用上述技术方案，本实用新型所述微带天线阵列较普通的微带天线阵列拥有较小的尺寸，相邻传输线之间的距离，如果不加金属化通孔，需要至少10毫米，通过增加金属化通孔可以缩减到3～4毫米，使天线阵列在列方向较普通的微带天线阵列减小了约50毫米，在行方向较普通的微带天线阵列减小了约12毫米。使专用短程通信(DSRC)设备的安装稳定、防风等性能和外形美观性都大为提高。

以上所述为本实用新型的最佳实施方式之一，但并不局限于此。在不超越本实用新型所附权利要求及说明书定义的范围的前提下，本领域的技术人员可根据实际情况对具体实施方案进行适应性修改，在此不再累述。

Claims

1.一种微带天线阵列，包括由若干微带天线单元组成的天线阵列结构，以及阵列馈电网络，所述阵列馈电网络通过传输线向天线阵列结构中的各微带天线单元提供激励，其特征在于，所述阵列馈电网络中的相邻传输线之间设有耦合隔离元件，用于隔离相邻传输线之间的电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述天线阵列结构是由16个微带天线单元组成的4×4阵列，阵列中相邻微带天线单元的行间距、列间距均相等。

3.根据权利要求2所述的微带天线阵列，其特征在于，所述微带天线单元的行间距为0.8～0.9个空间波长，列间距为0.6～0.7个空间波长。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的微带天线阵列，其特征在于，所述微带天线单元为圆极化微带天线单元。

5.根据权利要求4所述的微带天线阵列，其特征在于，所述微带天线单元的主极化特性为左旋圆极化，或者右旋圆极化。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的微带天线阵列，其特征在于，所述微带天线单元为微带贴片天线，或者微带槽缝天线。

7.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述传输线为微带传输线，或者共面波导传输线，或者带状线传输线。

8.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述耦合隔离元件为金属化通孔，或者非中空的金属销钉，或者金属壁，或者跨越传输线。

9.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述阵列馈电网络与微带天线单元处于同一介质层，其传输线直接与微带天线单元连接，并为微带天线单元提供激励。

10.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述阵列馈电网络与微带天线单元处于不同介质层，其传输线不与微带天线单元直接连接，通过耦合方式为微带天线单元提供激励。

11.根据权利要求1所述的微带天线阵列，其特征在于，所述阵列馈电网络与微带天线单元处于不同介质层，其传输线通过金属销钉与微带天线单元连接，并为线单元提供激励。

12.根据权利要求1或9或10或11所述的微带天线阵列，其特征在于，所述天线阵列结构中处于阵列中心、阵列边缘、以及阵列边缘角落的微带天线单元所受的激励信号互不相等。