CN206364178U - 一种微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种微带阵列天线。本微带阵列天线包括介质板、贴片阵列天线及微带线功率分配网络，介质板为双层板体且两层板体间夹设金属地；微带线功率分配网络包括第一功率分配子网络和第二功率分配子网络以及移相微带线段和带有弧形移相器的威尔金森功分器；八根同轴馈电探针分别布置于移相微带线段末端以及威尔金森功分器的总端口处且贯穿介质板从而连接至贴片阵列天线处；贴片阵列天线为八列，每列阵列贴片单元均由两组对称设置的贴片单元构成，各相邻两片微带贴片之间通过三角箭形渐变线状的阻抗匹配段连接彼此。本实用新型兼具高增益、低副瓣和小型化的优点，可有效实现整体天线构造的高集成性及小型化需求。

Description

一种微带阵列天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种微带阵列天线。

背景技术

天线作为通信系统中的一个重要的无线电设备，其性能的好坏将直接影响无线电设备的性能。随着无线通信和雷达系统的不断发展和完善，对天线性能提出了重量轻、体积小、制作简单、易共形、宽频带和成本低等性能要求。微带天线正是因为满足了上述要求，从而深受人们关注，近年来的应用也越来越广泛。然而，微带天线的单元增益一般为6dBi～8dBi，因此常用由微带贴片单元组成的微带阵列天线来获得更大的增益或实现特定的方向性。阵列天线可以实现单个天线所无法实现的复杂功能，具备更大的灵活性和更高的信号容量，并能显著提高系统的性能。目前传统的微带天线通常采用圆形或矩形贴片开槽等方式来提高定向性，但是增益低、损耗大及功率小的问题仍无法得到解决。是否能够研发出一种具备高增益、低副瓣和小型化的新型阵列天线结构，从而实现整体天线构造的高集成性及小型化需求，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

本实用新型的其中一个目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的微带阵列天线，其兼具高增益、低副瓣和小型化的优点，可有效实现整体天线构造的高集成性及小型化需求。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种微带阵列天线，其特征在于：本微带阵列天线包括介质板以及贴附于介质板一侧板面处的贴片阵列天线，介质板的另一侧板面处贴附有微带线功率分配网络，介质板为双层板体且两层板体间夹设金属地；其中：

所述微带线功率分配网络包括一分六路的第一功率分配子网络和第二功率分配子网络，两组子网络为相同结构的三级的T型功分电路，且每组子网络的六个分支端口均按照切比雪夫25dB幅度加权分布；两组子网络的分支端口彼此相向；第一功率分配子网络的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间，以及第二功率分配子网络的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第一功率分配子网络的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间均通过带有弧形移相器的威尔金森功分器相连接；第一功率分配子网络的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口处均连接有移相微带线段；八根同轴馈电探针分别相应布置于四根移相微带线段末端以及四组威尔金森功分器的总端口处且铅垂贯穿介质板从而连接至位于介质板另一侧板面处的贴片阵列天线处；

贴片阵列天线为八列且沿彼此平行间隔均布，每列阵列贴片单元均由两组沿同轴馈电探针轴线轴对称设置的贴片单元构成，每组贴片单元包括六片沿贴片单元布置方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的的微带贴片；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片之间通过三角箭形渐变线状的阻抗匹配段连接彼此；以每组贴片单元的靠近同轴馈电探针所在侧为内侧，每组贴片单元处各阻抗匹配段的三角箭头指向方向均平行贴片单元布置方向且指向最外侧微带贴片处；在同一列贴片阵列天线上，同轴馈电探针与其中一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间直连，而与另一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间通过180°移相器连接彼此。

所述用于连接各子网络相应分支端口的移相器对称分布于威尔金森功分器的两个分支端口处，威尔金森功分器的两分支端口处还桥接有100Ω隔离电阻。

微带线功率分配网络的各个分支端口的末端外形呈与同轴馈电探针彼此同轴的圆弧状构造。

介质板上的用于贴附微带线功率分配网络的一侧板面凹设有槽腔，从而使得微带线功率分配网络与该槽腔共同围合形成空气背腔，所述空气背腔的走向与微带线功率分配网络处信号行进路径相一致。

所述介质板外形呈长方板状且其长度方向平行贴片单元布置方向，环绕介质板一圈而设置矩形金属圈；矩形金属圈上垂直介质板而设置金属化共地孔，各金属化共地孔沿矩形金属圈布置方向依次间隔均布；每相邻两组贴片单元之间设置金属隔离条，金属隔离条长度方向平行介质板长度方向，且金属隔离条两端分别连接至矩形金属圈的两短边处；沿金属隔离条长度方向依次间隔均布有金属化盲孔。

每组贴片单元的位于最外侧的微带贴片处设置金属化短路孔。

所述同一个微带贴片上的金属化短路孔为三个且依序间隔均布，该金属化短路孔的布置方向与贴片单元布置方向彼此垂直。

本微带阵列天线还包括环绕同轴馈电探针而周向等距布置的四个金属化通孔。

所述微带贴片为矩形贴片或U型贴片。

介质板所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。

本实用新型的有益效果在于：

1)、本实用新型将贴片阵列天线处介质板与微带线功率分配网络处介质板压合在一起，从而形成双层介质板夹设金属地的独特结构形式，进而使得微带线功率分配网络与采用不同幅度加权的阵列贴片天线之间产生了完美结合，随之组合形成了本实用新型的具备高增益、低副瓣和小型化功能的微带阵列天线构造。

对于微带线功率分配网络而言，其通过两组一分六路的功率分配子网络配合移相微带线段以及威尔金森功分器，一方面，利用了两组一分六路的功率分配子网络的互用特性，使得装置整体体积更小，结构更为紧凑，并可同时为位于介质板的金属地一侧处的一组阵列天线所使用，即可以节省空间，又实现了自身的小型化和多功能化设计。另一方面，带有弧形移相器的威尔金森功分器，又使得两组一分六路的功率分配子网络在互用网络的同时，获得了很好的幅度特性和相位特性。其中，一分六路功率分配子网络均应当由三级的T型功分电路组成，而最终分配到六个端口的能量应当按照切比雪夫25dB幅度加权进行分布，并采用相位加权的方法展宽波束宽度。威尔金森功分器则由同轴馈电探针进行馈电，等幅输出或者说等幅输入的两个分支端口处各带有弧形片状的弧形移相器，其目的是保证功分网络组合时的相位特性。移相微带线段作用是保证最终合成的微带线功率分配网络每个端口的相位符合波束展宽的相位值。

而对于贴片阵列天线而言，贴片阵列天线共有八列，每一列由十二个不同大小的微带贴片和相应的阻抗匹配段组成，并且每一列都采用taylor25dB幅度加权来实现阵面方向图的低副瓣设计，最终保证整体天线结构的紧凑型和低损耗性。由于采用了三角箭形渐变线状的阻抗匹配段代替传统的四分之一阻抗变换器来实现阻抗匹配，这也减小了阻抗变换器的不连续性带来的反射波的影响，进一步提高了天线的性能。此处的三角箭形渐变线状，也即在自身呈现平面的三角箭状的同时，三角箭面的两侧板面鼓出形成曲面状构造，且该曲面遵循了渐变线形分布。通过采用十二个微带贴片排列成线阵，十二个微带贴片的尺寸根据电流幅度分配比确定其大小，且各个微带贴片之间的间距约为1/2个介质波长，从而保证各贴片单元同相馈电。每个微带贴片之间采用三角箭形渐变线状的阻抗匹配段可根据电流分布由馈电探针向左右两侧由强到弱；三角箭形的指向也由馈电两侧对称指向外侧处。微带阵列天线采用同轴馈电探针的方式进行馈电，馈电点位于串馈阵列单元的中心位置，即馈电点左右各有一组贴片单元。为保证同轴馈电探针两端电流方向的一致性，在同轴馈电探针输出的一侧加入了180°移相器，且整个微带阵列天线除馈电点一侧加入了180°移相器以外，左右完全对称，这样可以减小它的辐射影响，从而进一步提升两侧的各组贴片单元的辐射方向图的一致性。

综上，本实用新型由于两组功率分配子网络共用一组微带串馈阵列天线，且两组功率分配子网络也具有互用的特性，结合双层介质板和金属地的复合构造，可保证整体体积的小型化需求，同时结构紧凑而成本低。本实用新型具备了覆盖范围广、指向精度高和副瓣低的良好性能，可使贴片阵列天线和微带线功率分配网络在工作频段内输入阻抗接近于50Ω，天线工作频段匹配良好、VSWR较低，可普遍应用于天馈线雷达系统中。

2)、作为上述方案的进一步优选方案，弧形移相器可选用弧形微带线构成，并呈对的布置在威尔金森功分器的两分支端口处，从而作为连接威尔金森功分器的两分支端口与功率分配子网络各分支端口的衔接段。此外，由于微带线功率分配网络所处的微带面配合介质板处槽腔从而形成了空气背腔的构造，从而能有效地抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得端口之间的互耦影响较小，端口幅度、相位性能较好。

3)、微带线功率分配网络的能量总端口处可设置SMA接头，而八个分支端口的微带边缘则设计为圆弧状，目的是为了更好的通过垂直的同轴馈电探针与贴片阵列天线做好匹配。微带线功率分配网络一侧的介质板处设置的空气背腔，能有效地抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得微带线功率分配网络各端口之间的互耦影响较小，并有效保证端口的幅度和相位性能。

4)、介质板外周设置的一圈矩形金属圈且在其上布置金属化共地孔，且八列贴片阵列天线每一列中间都有一条带有金属化盲孔的金属隔离条，可有效减小了八列贴片阵列天线之间的互相耦合。同轴馈电探针周围有四个金属化通孔，可有效的加强同轴馈电探针的共地效果。同时，各组贴片单元的最外侧的微带贴片上各有三个金属化短路孔，可使天线的阻抗匹配更好。

附图说明

图1是本实用新型的正面结构示意图；

图2是本实用新型的背面结构示意图；

图3是图2的I部分局部放大图；

图4是本实用新型的侧视图；

图5是威尔金森功分器的结构原理图；

图6是威尔金森功分器的偶模分析原理图；

图7是相位干涉法测角原理图；

图8是本实用新型的第一功率分配子网络的总端口S1和第二功率分配子网络的总端口S2的电压驻波比测试图；

图9是第一功率分配子网络的总端口S1的方位面及俯仰面增益测试图；

图10是第二功率分配子网络的总端口S2的方位面及俯仰面增益测试图；

图11是本实用新型的微带阵列天线A和微带阵列天线B反相合成时的方位面及俯仰面增益测试图。

附图中各标号与本实用新型的各部件名称对应关系如下：

10-介质板 11-金属地 12-空气背腔

20-微带线功率分配网络

21-第一功率分配子网络 22-第二功率分配子网络

23-弧形移相器 24-威尔金森功分器 25-移相微带线段

26-100Ω隔离电阻

30-同轴馈电探针 40-贴片阵列天线

41-微带贴片 42-阻抗匹配段 43-180°移相器

44-矩形金属圈 44a-金属化共地孔

45-金属隔离条 45a-金属化盲孔

46-金属化短路孔 47-金属化通孔

具体实施方式

为便于理解，此处以3D交通管理雷达系统的微带阵列接收天线为例，结合附图对本实用新型的具体实施结构及工作流程作以下描述：

本天线由中间夹有金属地的双层的介质板10、布置于介质板10一侧面处的贴片阵列天线40以及布置于介质板10另一侧面处的微带线功率分配网络20组成。图4中可以看出双层的介质板10相对贴片阵列天线40及微带线功率分配网络20的具体布置位置：两层的介质板10采用压合工艺粘合在一起，中间夹设一层金属地11，介质板10一面布置贴片阵列天线40而另外一面为微带线功率分配网络20。其中：

一)、贴片阵列天线部分：其为八列且沿彼此平行间隔均布，具体布置结构如图1所示。每列贴片阵列天线40均包括十二片不同大小的微带贴片41、十组阻抗匹配段42、一组180°移相器43以及一根同轴馈电探针30。微带贴片41以六片为一组贴片单元且两组贴片单元沿同轴馈电探针30的轴线轴对称分布。每组贴片单元处微带贴片41之间则通过不同尺寸的串馈匹配端也即阻抗匹配段42进行连接。在同轴馈电探针30的一侧处加入180°移相器43从而连接其中一组贴片单元处的相邻微带贴片，进而确保整个微带阵列的馈电电流方向一致性。各列贴片阵列天线40之间设置金属隔离条45，环绕整个贴片阵列天线40而布置矩形金属圈44，金属化共地孔44a和金属化盲孔45a则保证天线的共地。贴片阵列天线40通过同轴馈电探针30与微带线功率分配网络20处相应的馈电点相连接。

二)、微带线功率分配网络部分：该微带线功率分配网络包括两组一分六路的功率分配子网络、四组带有弧形移相器23的威尔金森功分器24和四条移相微带线段25。其中：两组一分六路的功率分配子网络的分支端口彼此相向，也即形成类似双手手指指尖对顶的构造。表现在图2-3中时，第一功率分配子网络21和第二功率分配子网络22的其中四组分支端口分别一一对应的处于同一直线上，而另外的两组分支端口则作为独立端口来布置。上述位于同一直线处的四组分支端口通过带有弧形移相器23的威尔金森功分器24来衔接彼此；而另外的独立端口则直接接驳移相微带线段25。需要说明的是：由于阵列天线兼具收发特性，因此在上述结构中,第一功率分配子网络21和第二功率分配子网络22的六组分支端口既可以作为输出端口来发出由总端口处发来的信号，又可以作为输入端口来接收由威尔金森功分器24处分支端口得来的信号进而由需分配的功率分配子网络的总端口发出；威尔金森功分器24处各分支端口及总端口工作状况同理。在威尔金森功分器24的总端口以及移相微带线段25相对衔接功率分配子网络的另一端也即末端处均设置馈电孔，从而通过同轴馈电探针30穿过该馈电孔并经由介质板10而延伸连接至位于介质板10另一面的贴片阵列天线40处。介质板10处可设置如图2-3所示的空气背腔12，从而抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得端口之间的互耦影响较小，并提升端口的幅度和相位性能。

而参照图2-3所示的，各子网络与相应的威尔金森功分器24及移相微带线段25的具体连接关系为：P1至P6分别为两组一分六路的各功率分配子网络的分支端口，将各分支端口按照图2所示构造来连接威尔金森功分器24及移相微带线段25的相应端口即可，最终的连接结构图如图2所示。此时，两组一分六路功率分配子网络采用幅度加权和相位加权进行设计。上述中，采用幅度加权是为了更好的降低天线的副瓣，而采用相位加权是为了进一步展宽天线的波束宽度。

威尔金森功率功分器的电路原理图如图5所示，电路的偶模分析原理图如图6所示。图5-6中，能量由端口1输入，等幅同相的分配到端口2和端口3，隔离电阻41的阻值为100Ω。

实际使用时，微带贴片41可以看作一个场量在横向没有变化的传输线谐振器，场仅延微带贴片41长度方向变化。在如图1所示的选用矩形微带贴片41时，微带贴片41长度L通常为半波长，辐射主要有间距L的两个开路端缝隙场产生。

实际操作时，可如图1-3所示，当能量通过第二功率分配子网络22的总端口S2发射和接收时，贴片阵列天线A1、A2、A3、A4、A5和A6工作。当能量通过第一功率分配子网络21的总端口S1发射和接收时，贴片阵列天线A3、A4、A5、A6、A7和A8工作。

本实用新型的效果可以通过以下实验测试进一步说明。

为表明工作性能，此处可采用以上结构及数据制作测试件，进行以下测试操作：

测试环境：微波调试室；

测试设备：矢量网络分析仪，转台，天线测试系统，标准喇叭，计算机等。

对测试件的第一功率分配子网络21的总端口S1和第二功率分配子网络22的总端口S2的电压驻波比进行测试，测试结果如图8所示：从图8中可以看出在24～24.3GHz频段范围内，两个微带阵列天线的驻波均＜1.4，实现了较好的阻抗匹配特性。

对由第一功率分配子网络21与贴片阵列天线40所形成的微带阵列天线A在其工作频段24～24.3GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图9所示，从图9可以看出，该天线最大增益为18dB左右，在俯仰面3dB波瓣宽度为±4°，副瓣小于20dB，满足天线设计要求。

对由第二功率分配子网络22与贴片阵列天线40所形成的微带阵列天线B在其工作频段24～24.3GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图10所示：从图10可以看出，该天线最大增益为18dB左右，在俯仰面3dB波瓣宽度为±4°，副瓣小于20dB，满足天线设计要求。

对上述微带阵列天线A和微带阵列天线B的暗室测试结果表明：两天线的性能具有较好的一致性。

对微带阵列天线A和微带阵列天线B按照图7所示的相位法测角原理，其中接收天线a即为微带阵列天线A，接收天线b即为微带阵列天线B。在微带阵列天线A和微带阵列天线B工作频段24～24.3GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图11所示：从图11可以看出，两个微带阵列天线最大峰值基本相等，零深在50dB左右，实现了很好的比幅、比相侧向功能，满足天线设计要求。

Claims (10)

1.一种微带阵列天线，其特征在于：本微带阵列天线包括介质板(10)以及贴附于介质板(10)一侧板面处的贴片阵列天线(40)，介质板(10)的另一侧板面处贴附有微带线功率分配网络(20)，介质板(10)为双层板体且两层板体间夹设金属地(11)；其中：

所述微带线功率分配网络(20)包括一分六路的第一功率分配子网络(21)和第二功率分配子网络(22)，两组子网络为相同结构的三级的T型功分电路，且每组子网络的六个分支端口均按照切比雪夫25dB幅度加权分布；两组子网络的分支端口彼此相向；第一功率分配子网络(21)的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络(22)的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间，以及第二功率分配子网络(22)的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第一功率分配子网络(21)的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间均通过带有弧形移相器(23)的威尔金森功分器(24)相连接；第一功率分配子网络(21)的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络(22)的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口处均连接有移相微带线段(25)；八根同轴馈电探针(30)分别相应布置于四根移相微带线段(25)末端以及四组威尔金森功分器(24)的总端口处且铅垂贯穿介质板(10)从而连接至位于介质板(10)另一侧板面处的贴片阵列天线(40)处；

贴片阵列天线(40)为八列且沿彼此平行间隔均布，每列阵列贴片单元均由两组沿同轴馈电探针(30)轴线轴对称设置的贴片单元构成，每组贴片单元包括六片沿贴片单元布置方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的的微带贴片(41)；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片(41)之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片(41)之间通过三角箭形渐变线状的阻抗匹配段(42)连接彼此；以每组贴片单元的靠近同轴馈电探针(30)所在侧为内侧，每组贴片单元处各阻抗匹配段(42)的三角箭头指向方向均平行贴片单元布置方向且指向最外侧微带贴片(41)处；在同一列贴片阵列天线(40)上，同轴馈电探针(30)与其中一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片(41)间直连，而与另一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片(41)间通过180°移相器(43)连接彼此。

2.根据权利要求1所述的一种微带阵列天线，其特征在于：所述用于连接各子网络相应分支端口的移相器(43)对称分布于威尔金森功分器(24)的两个分支端口处，威尔金森功分器(24)的两分支端口处还桥接有100Ω隔离电阻(26)。

3.根据权利要求1所述的一种微带阵列天线，其特征在于：微带线功率分配网络(20)的各个分支端口的末端外形呈与同轴馈电探针(30)彼此同轴的圆弧状构造。

4.根据权利要求1所述的一种微带阵列天线，其特征在于：介质板(10)上的用于贴附微带线功率分配网络(20)的一侧板面凹设有槽腔，从而使得微带线功率分配网络(20)与该槽腔共同围合形成空气背腔(12)，所述空气背腔(12)的走向与微带线功率分配网络(20)处信号行进路径相一致。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微带阵列天线，其特征在于：所述介质板(10)外形呈长方板状且其长度方向平行贴片单元布置方向，环绕介质板(10)一圈而设置矩形金属圈(44)；矩形金属圈(44)上垂直介质板(10)而设置金属化共地孔(44a)，各金属化共地孔(44a)沿矩形金属圈(44)布置方向依次间隔均布；每相邻两组贴片单元之间设置金属隔离条(45)，金属隔离条(45)长度方向平行介质板(10)长度方向，且金属隔离条(45)两端分别连接至矩形金属圈(44)的两短边处；沿金属隔离条(45)长度方向依次间隔均布有金属化盲孔(45a)。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微带阵列天线，其特征在于：每组贴片单元的位于最外侧的微带贴片(41)处设置金属化短路孔(46)。

7.根据权利要求6所述的一种微带阵列天线，其特征在于：所述同一个微带贴片(41)上的金属化短路孔(46)为三个且依序间隔均布，该金属化短路孔(46)的布置方向与贴片单元布置方向彼此垂直。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微带阵列天线，其特征在于：本微带阵列天线还包括环绕同轴馈电探针(30)而周向等距布置的四个金属化通孔(47)。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微带阵列天线，其特征在于：所述微带贴片(41)为矩形贴片或U型贴片。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种微带阵列天线，其特征在于：介质板(10)所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。