CN205231245U - 微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络及防撞雷达用微带天线阵 - Google Patents

Abstract

微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络及防撞雷达用微带天线阵，属于雷达天线领域，用于解决现有的串联馈电网络在遇到较剧烈的电流变化时可能得到不合理变换段尺寸的问题，技术要点是：单个天线阵元电流加权匹配网络包括两节1/4导波长阻抗变换段；从首端起始，为第一节1/4导波长的馈电网络，从末端起始为第二节1/4导波长的馈电网络，中间段为半导波长传输线。效果是：在设计馈线时更为灵活和实用。

Description

微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络及防撞雷达用微带天线阵

技术领域

本实用新型属于雷达天线领域，尤其涉及一种微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络及应用该馈电网络的防撞雷达用微带天线阵。

背景技术

在24GHz防撞雷达应用场合下,常常要求微带天线具备较高辐射增益、低副瓣的特点,因此天线的组阵技术在实际应用中被采用。而在微波波段中,随信号频率的升高,传输的损耗会越来越大。特别是在微带天线阵中,这一现象尤为明显,导体损耗和介质损耗难以克服,如25dB或以上,阵列就会有较大的导体损耗。损耗主要来自馈电网络,而且频率越高,损耗越大。所以,在微带阵列天线的设计中,设计合适的馈电网络是一个重点,同时也是一个难点。因天线阵采用串联馈电的方法得到的电路不仅简单,而且馈线总长度较短,所以馈线的传输损耗较小，天线效率高。而一般串联馈电网络，多采用一段四分之一导波长的线段作为阻抗变换段来控制电流的分布比例与阻抗匹配，但在频率很高的情况下,由于波长很小,馈线的宽度应该尽量控制,不宜过大,所以当只采用一根变换段的时候,由于变换段的宽度只取决于电流的比例,如若遇到较剧烈的电流变化,得到的变换段尺寸可能不合理。

实用新型内容

为了解决现有的串联馈电网络在遇到较剧烈的电流变化时可能得到不合理变换段尺寸的问题，本实用新型提供了一种微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络。

本实用新型的技术方案是：一种微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络，单个天线阵元电流加权匹配网络包括两节1/4导波长阻抗变换段；从首端起始，为第一节1/4导波长的馈电网络，从末端起始为第二节1/4导波长的馈电网络，中间段为半导波长传输线。

本实用新型还涉及一种防撞雷达用微带天线阵，阵元间电连接的加权馈电网络使用上述技术方案所述的串联双阻抗加权馈电网络。

作为技术方案的补充，防撞雷达用微带天线阵由4组横向阵列通过所述的串联双阻抗加权馈电网络并联而成，一组横向阵列由24个阵元串联排成。

作为技术方案更进一步的补充，并联各组横向阵列的馈串联双阻抗馈电网络的连接节点在每组横向阵列的第12和第13个阵元之间。

有意效果：采用了两段四分之一导波长的线段作为阻抗变换段,这种两个变换段的串馈设计，能更加灵活地控制电流的分布比例，变换段除了受电流变化的影响之外,它们自身的特性阻抗的比例对电流分布也会产生影响，因而，采用两个四分之一波长的变换段在设计馈线时更为灵活和实用。

附图说明

图1：现有技术中的串联馈电网络的等效电路图；

图2：单个天线阵元电流加权匹配网络的示意图；

图3：防撞雷达用微带天线的组成示意图；

图4：仿真图1；

图5：仿真图2；

图6：仿真图3。

具体实施方式

实施例1:

现有的串联馈电网络，采用一段四分之一导波长的线段作为阻抗变换段来控制电流的分布比例与阻抗匹配。其等效电路图如图1所示，Y₀表示阵元的输入导纳,流入第i个阵元的电流为I_i,在两个阵元间电长度为一个导波长,其中有四分之三是传输线,其特性阻抗为Zc₀,而剩下的四分之一为阻抗变换段,也就是一个四分之一阻抗变换器。从端口往右看(阵末端)的输入导纳为Y_i,根据网络分析法,我们可以轻易得到：

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{Z_{c2}}{Z_{c0}}=n_1,\frac{I_3}{I_2}=\frac{Z_{c3}}{Z_{c0}}=n_2,\frac{I_4}{I_3}=\frac{Z_{c4}}{Z_{c0}}=n_3$

依此类推,n元阵也是这个原理,由已知的电流分布比值,可以根据上式求出每个阻抗变换段的特性阻抗,然后得出变换段的微带线长度和宽度。这样,就能够得到各阵元按照预期的激励振幅和相位分布,还能保证端口的阻抗匹配,这就是一段四分之一导波长串馈阻抗变换的设计方法。

该种方案在频率很高的情况下,由于波长很小,馈线的宽度应该尽量控制,不宜过大,所以当只采用一根变换段的时候,由于单节变换段的特性阻抗只取决于电流的比例,如若遇到较剧烈的电流变化,得到的单节变换段尺寸可能不合理。

基于上述技术问题，本实施例提出了一种改进方案，一种微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络，单个天线阵元电流加权匹配网络包括两节1/4导波长阻抗变换段；从首端起始，为第一节1/4导波长的馈电网络，从末端起始为第二节1/4导波长的馈电网络，中间段为半导波长传输线，中间段特性阻抗可根据需要灵活配置。

本实施例采用了两个四分之一导波长作为变换段时,变换段除了受电流变化的影响之外,它们自身的特性阻抗的比例对电流分布也有影响，如图2所示，根据网络分析法,我们可以得到电流的分配比例：

$\frac{Ii}{Ij}=\frac{Zi}{Zj}=n$

由已知的电流分布比值,可以根据上式求出两个阻抗变换段的特性阻抗比例，然后得出变换段的微带线长度和宽度。由公式可见，电流的分配比只与两段四分之一导波长阻抗变换段的特性阻抗有关，而与中间二分之一导波长线段阻抗无关，这样，若遇到较剧烈的电流变化,可以适当的调节两段四分之一导波长阻抗变换段的特性阻抗比例，以不至于阻抗设计不合理。

实施例2:

结合上述技术方案，本实施例记载了一款用于24GHz防撞雷达用微带天线阵，采用串联双阻抗馈电网络，24×4单元，用以验证馈电网络的正确性。其技术方案是：一种防撞雷达用微带天线阵，阵元间电连接的加权馈电网络使用实施例1的技术方案所述的串联双阻抗加权馈电网络。防撞雷达用微带天线阵由4组横向阵列通过所述的串联双阻抗加权馈电网络并联而成，一组横向阵列由24个阵元串联排成。并联各组横向阵列的馈串联双阻抗馈电网络的连接节点在每组横向阵列的第12和第13个阵元之间。

天线指标：1.工作频带:24.05GHz-24.25GHz；2.俯仰面内半功率波瓣宽度:约20°；3.方位面内半功率波瓣宽度:3°；4.副瓣电平:低于-20dB；5.驻波比:带内VSWR低于1.5；6.天线增益:带内增益高于25dB。

对本实施例记载的天线阵，对其特性进行仿真，数据如下：

阻抗特性：天线阵的阻抗特性结果如图4所示。天线的总馈电端口接的是50欧姆同轴线,由图中可知,在中心频率24.15GHz处,电压驻波比VSWR是1.23。在频率24.05GHz,VSWR是1；在频率24.25GHz时,VSWR是1.45。总体来看,VSWR<1.5的频带为:24.07GHz—24.27GHz；可见,天线在中心频率处的匹配良好,驻波比小于1.5,而且整个工作频带内的驻波比也都几乎在1.5以下。若按照驻波比来计算,天线的阻抗带宽约达到400MHz。

方向特性:设计指标中,对天线阵的方向特性要求较高。要同时获取极窄的主瓣宽度和较低的副瓣电平是设计的难点所在。通过仿真,得到了天线阵的方向特性,具体如图5所示。

如图6所示，在中心频率24.15GHz时,天线的增益达到26.8dB(大于25dB),在方位面半功率波束宽度仅为3.3°,而此时的副瓣电平为-22.7dB(低于-20dB)；在俯仰面半功率波束宽度为17.6°,此时的副瓣电平为-17.2dB。

综上，本实施例所述的24×4元微带阵列天线，从仿真结果来看,天线的阻抗特性良好,方位面半功率波瓣宽度约为3°,副瓣电平约为-22dB；俯仰面半功率波瓣宽度约为18°,副瓣电平为-17dB,天线增益约为27dB。验证了双阻抗串联馈电网络的正确性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微带天线阵的串联双阻抗匹配加权馈电网络，其特征在于：单个天线阵元电流加权匹配网络包括两节1/4导波长阻抗变换段；从首端起始，为第一节1/4导波长的馈电网络，从末端起始为第二节1/4导波长的馈电网络，中间段为半导波长传输线。

2.一种防撞雷达用微带天线阵，其特征在于：阵元间电连接的加权馈电网络使用权利要求1中所述的串联双阻抗加权馈电网络。

3.如权利要求2所述的防撞雷达用微带天线阵，其特征在于：由4组横向阵列通过权利要求1所述的串联双阻抗加权馈电网络并联而成，一组横向阵列由24个阵元串联排成。

4.如权利要求3所述的防撞雷达用微带天线阵，其特征在于：并联各组横向阵列的馈串联双阻抗馈电网络的连接节点在每组横向阵列的第12和第13个阵元之间。