CN210443669U - 一种水文监测雷达平板微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水文监测雷达平板微带阵列天线，其采用以下方式制成：1、对微带阵列天线单元的基板材料进行选取，通过计算天线尺寸以及仿真优化，得到最佳的微带阵列天线单元；2、运用泰勒分布不等幅馈电法创建1×8微带线阵天线模型，通过四分之一波长阻抗匹配法，达到高增益和强方向性的要求；3、采用串并结合的馈电方式构成8×8微带阵列天线，在满足各阵元激励同相的基础上，减少馈线损耗并缩小天线尺寸。该水文监测雷达平板微带阵列天线大大提高了天线的方向性，相应提高了雷达的准确度，在获得高增益的同时，减小了整体天线的尺寸，实现了小型化、高增益、大带宽、低副瓣以及窄波束等技术特性。

Description

一种水文监测雷达平板微带阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种水文监测雷达平板微带阵列天线。

背景技术

长期以来，毫米波雷达传感器采用体积庞大且结构复杂的分立元件组合而成，限制了其在工业和消费电子等大众市场的发展。而位于雷达前端的收发天线目前也仍存在体积大、副瓣电平高以及频带窄等问题。相较于传统天线，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易共性的特点，同时还具有成本低、更易于集成、可以批量生产的优势。然而单个微带单元天线通常增益较低并且方向性差，无法满足各项特性，常采用串联馈电或并联馈电的形式构成微带阵列天线以达到高指标要求。因此在雷达传感器中，采用微带阵列天线形式可以进一步提高天线各方面性能指标，突破小型化、低成本、低功耗等技术问题，使其更好地适用于雷达探测与电子通信等领域。

工作频段为24GHz的微带阵列天线不仅具备微带天线的共性优势，同时还具备波长短、频带宽、体积小、抗干扰性强以及传播特性好的独特优势。因此将该频段的微带阵列天线置于前端所构成的水文监测雷达更具有体积小、集成化程度高、感应灵敏等特点。近年来，24GHz雷达传感器在物体探测与跟踪、安全监测以及汽车防撞击系统上获得较大的进展，开启了新的创新浪潮；更具体来说，24GHz雷达传感器主要应用于测速、测距与防撞三个方面，相比于其他超声波、图像和光学等检测方式，它具有更好的抗干扰特性和波束方向性以及更高的灵敏度等优点。目前通过查找文献，发现研究方向还是主要集中于应用在汽车防撞系统、生命体征监测系统等方面，对于水流监测方面文献与资料较少。与此同时，由于城市兴建速度加快以及对环境问题日益重视，对应用于水利和自然资源管理及城市管网远程值守等领域的水流监测雷达提出了新的要求。

现有专利技术文献中公开了一种遥测终端以及水资源监控系统（公开号：CN208506958U，公告日：20190215），其中公开了“互联网通信天线装置(111b)为微带阵列天线，用于与公网基站进行通信，收发互联网通信信号”，以及公开了微带阵列天线的结构，该种微带阵列天线是现有技术常规结构。

由于现有的微带阵列天线的增益效果有所不足，频带偏窄，且副瓣电平偏高，而微带阵列天线的性能直接影响到水文监测雷达产品的技术指标水平及效率，因此现有的水文监测雷达产品的技术指标水平及效率的有待提升。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种体型小、增益高、频带宽、副瓣电平低的水文监测雷达平板微带阵列天线。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种水文监测雷达平板微带阵列天线，由微带阵列天线单元通过阵列分布构成，其特征在于：采用以下方式制成：

S1、对微带阵列天线单元的基板材料进行选取，通过计算天线尺寸以及仿真优化，得到最佳的微带阵列天线单元；

S2、运用泰勒分布不等幅馈电法创建1×8微带线阵天线模型，通过四分之一波长阻抗匹配法，达到高增益和强方向性的要求；

S3、采用串并结合的馈电方式构成8×8微带阵列天线，在满足各阵元激励同相的基础上，减少馈线损耗并缩小天线尺寸。

作为进一步说明，所述S1中的微带阵列天线单元包含天线贴片单元和介质基板，介质基板是厚度为0.508 mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004的Rogers 4350B介质基板；天线贴片单元是矩形贴片，矩形贴片的初步尺寸根据传输线模型法和谐振腔模型法计算得出，矩形贴片采用侧馈方式馈电，在馈线与矩形贴片辐射边的接触处开槽调节阻抗匹配，槽深取1/3贴片长度L。

作为进一步说明，所述S2中的1×8微带线阵天线模型是8个微带阵列天线单元组成的中心对称的谐振式微带串馈阵列；相邻两个微带阵列天线单元的间距

，间距d的选取必须使得每个单元同相激励，且抑制栅瓣形成；采用泰勒分布法，即通过离散不等幅激励使得副瓣电平由近及远锥削式分布，不等幅激励对应于不等幅电流分布；通过四分之一波长阻抗匹配法，在主馈线上加入变换段，调节各段阻抗与主传输线阻抗之比实现电流分布；根据等效电路原理，求得各节对应的阻抗为 Z1：Z2：Z3=81.87：64.58：54.97；Z4所对应的匹配段宽度通常仿真优化设计得到最优值；通过TXLINE软件将阻抗值转换得到对应每个阻抗匹配段的宽度。

作为进一步说明，所述S3中的8×8微带阵列天线是将1×8微带线阵天线等效为一个阵元，并联8排1×8微带线阵天线组成8×8的对称微带阵列天线，阵列中心采用50Ω中心同轴馈电；根据理论可知，单元数目加倍，天线增益增加约3dBi，则可大致推断出除去馈电损耗，8×8微带阵列天线增益约为21dBi。

作为进一步说明，所述S3中的8×8微带阵列天线采用单边为4个微带阵列天线单元的泰勒分布，纵向的四分之一波长阻抗取值与1×8微带线阵天线大致相同，在靠近同轴馈电孔处增加一段阻抗变换段，提高整个天线的阻抗匹配程度，经过优化得到该段宽度为0.85mm；并且通过优化天线结构，增加临近谐振频率点，实现了大幅度地扩展频带宽度。

作为进一步说明，所述水文监测雷达平板微带阵列天线的具体参数是：整个天线尺寸为56mm×56mm×0.508mm，8×8微带阵列天线的增益为22dBi，8×8微带阵列天线的E面3dB波束宽度为14.8°，8×8微带阵列天线的H面3dB波束宽度为14.2°，8×8微带阵列天线的E面副瓣电平为-24.6dB，8×8微带阵列天线的H面副瓣电平为-24.7dB。

有益效果：通过增加相邻谐振点扩展该阵列天线的带宽，在22.79-24.9GHz实现VSWR<2，相较于现有的同类型天线带宽400-600MHz，扩展了400%左右；副瓣电平降低至-24.5dB以下，大大提高了天线的方向性，相应提高了雷达的准确度；在获得高增益的同时，减小了整体天线的尺寸，实现了小型化、高增益、大带宽、低副瓣以及窄波束等技术特性。

上述内容中有关专业术语和现有技术部件的解释如下：

微带天线：是在一个薄介质基片上的一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线；按结构特征可以分为两类或者三类，即微带贴片天线和微带缝隙天线，有些文献中还包括微带阵子天线等。微带贴片天线的基本结构是金属贴片附着于电薄、接地的介质衬底上，而金属贴片的形状各异，如矩形、圆形、环形、五边形等，且为了满足某个特定应用所需的性能，通常会在基本的图形上进行更复杂的结构变化。微带贴片天线具有低剖面、体积小，重量轻，易共形，低成本，集成性好，以及电性能多样化等优点；但是，微带贴片天线也存在一些限制其应用的缺点，比如阻抗带宽窄、极化纯度差、辐射效率低、功率承受能力差、扫描特性差、易激励表面波。

参数： 是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性，此参数用以表示天线的发射效率，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。

驻波：入射波(推进波)与反射波相互干扰而形成的波形不再推进(仅波腹上、下振动，波节不移动)的波浪，称驻波。

天线方向图：又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-fieldpattern），是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示；超高频天线通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示，即E平面方向图，H平面方向图；为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数，主要包括:主瓣宽度，副瓣电平等参数；主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量，通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度；副瓣电平是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。

天线的E面：是指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。

天线的H面：是指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。

波束宽度：分为水平波束宽度和垂直波束宽度，水平波束宽度是指在水平方向上，在最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角；垂直波束宽度是指在垂直方向上，在最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角。在雷达气象中，波束宽度是指波束两个半功率点之间的夹角，与天线增益有关，一般天线增益越大，波束就越窄，探测角分辨率就越高。

天线增益：是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高；天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

副瓣电平：是指副瓣最大辐射方向上的功率密度与主瓣最大辐射方向上的功率密度之比的对数值，用dB表示。通常离主瓣近的副瓣电平要比远的高，所以副瓣电平通常是指第一副瓣电平。一般要求副瓣电平尽可能低。

软件：是一款微带线计算工具，该工具拥有专业的微带线阻抗计算公式，用户只需输入相应的长度和宽度即可获得想要的结果。

附图说明

图1为本实用新型微带阵列天线单元结构图；

图1.1所示的微带馈线插入式馈电结构图；

图2为本实用新型1×8微带线阵天线结构图；

图3为本实用新型8×8微带阵列天线结构图；

图4为单个微带阵列天线单元S11曲线；

图5为单个微带阵列天线单元驻波特性曲线；

图6为单个微带阵列天线单元阻抗特性曲线；

图7为单个微带阵列天线单元二维方向图；

图8为1×8微带线阵天线S11曲线；

图9为1×8微带线阵天线二维方向图；

图10为8×8微带阵列天线S11曲线；

图11为8×8微带阵列天线驻波特性曲线；

图12为8×8微带阵列天线二维方向图；

图13为8×8微带阵列天线三维方向图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：

一种水文监测雷达平板微带阵列天线，由微带阵列天线单元通过阵列分布构成，采用以下方式制成：

S1、对微带阵列天线单元的基板材料进行选取，通过计算天线尺寸以及仿真优化，得到最佳的微带阵列天线单元；

S2、运用泰勒分布不等幅馈电法创建1×8微带线阵天线模型，通过四分之一波长阻抗匹配法，达到高增益和强方向性的要求；

S3、采用串并结合馈电方式构成8×8微带阵列天线，在满足各阵元激励同相的基础上，减少馈线损耗并缩小天线尺寸。

进一步实施说明，所述微带阵列天线单元的结构如图1所示，微带阵列天线单元包含天线贴片单元和介质基板，介质基板是厚度为0.508 mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004的Rogers 4350B介质基板；天线贴片单元是矩形贴片，矩形贴片的初步尺寸根据传输线模型法和谐振腔模型法计算得出，其计算方式是：

在已经确定了介质基板材料和厚度h以及微带天线的谐振频率

后，可按式1.1计算贴片单元的宽度W：

式1.1

其中

为介质基板的相对介电常数，贴片长度L的取值为半个导波长

减去等效的延长线

即可，如式1.2所示：

式1.2

其中

是介质板的实效介电常数，考虑微带辐射单元的边沿杂散效应，将

修正后便可以得到

，如式1.3、式1.4所示：

式1.3

（

） 式1.4

此时通过准静法计算等效延长线

，如式1.5所示：

式1.5

矩形贴片采用侧馈方式馈电，在馈线与矩形贴片辐射边的接触处开槽调节阻抗匹配，槽深取1/3贴片长度L，如图1.1所示的微带馈线插入式馈电结构图。

进一步实施说明，初步确定好天线贴片单元的结构与尺寸后，8个微带阵列天线单元组成中心对称的1×8微带线阵天线，所述1×8微带线阵天线结构如图2所示；相邻两个微带阵列天线单元的间距

，间距d的选取必须使得每个单元同相激励，且抑制栅瓣形成；采用泰勒分布法，即通过离散不等幅激励使得副瓣电平由近及远锥削式分布，不等幅激励对应于不等幅电流分布；其具体的激励幅度分布计算方式是：

由于阵列天线指标要求中E面和H面的3dB波瓣宽度都为15°，因此根据式2.1计算：

式2.1

取整后，E面和H面的单元数都为8，各个单元激励幅度表达式为式2.2：

式2.2

其中，

，L=Nd；计算得到当副瓣电平SLL=-30dB时，各个阵元的归一化激励幅度分布，如表2.3所示的归一化激励幅度分布表：

								0.2906	0.5287	0.8187	1	1	0.8187	0.5287	0.2906

表2.3

通过四分之一波长阻抗匹配法，在主馈线上加入变换段，调节各段阻抗与主传输线阻抗之比实现电流分布；其四分之一波长阻抗匹配段的特性阻抗值计算方式如下：

根据电路及阻抗变换原理计算，可得式3.1：

式3.1

……

其中，

，由式3.1可得，第i个贴片的激励电流幅度由比值

所决定；令第一个贴片的激励电流幅度

为1A，则可得到式3.2：

式3.2

进一步可得，各个阵元激励电流与各节四分之一波长阻抗匹配段特性阻抗之间的关系为式3.3：

式3.3

由式3.3可知，只要确定了主传输线的特性阻抗

后，便可求得各个四分之一阻抗匹配段的特性阻抗值，从而转换得到各段传输线线宽及阻抗变换段的宽度。

根据等效电路原理，求得各节对应的阻抗为Z1：Z2:Z3=81.87：64.58：54.97；Z4所对应的匹配段宽度通常仿真优化设计得到最优值；通过TXLINE软件将阻抗值转换得到对应每个阻抗匹配段的宽度，如表3.4所示的阻抗匹配段的特性阻抗与微带线宽对应表。

特性阻抗( )	70.08	81.87	64.58	54.97
					线宽(mm)	0.648	0.47	0.756	1

表3.4

进一步实施说明，将1×8微带线阵天线等效为一个阵元，8排1×8微带线阵天线组成如图3所示的8×8的对称微带阵列天线，阵列中心采用50Ω中心同轴馈电；根据理论可知，单元数目加倍，天线增益增加约3dBi，则可大致推断出除去馈电损耗，8×8微带阵列天线增益约为21dBi。

进一步实施说明，所述S3中的8×8微带阵列天线仍采用单边为4个微带阵列天线单元的泰勒分布，纵向的四分之一波长阻抗取值与1×8微带线阵天线大致相同，在靠近同轴馈电孔处增加一段阻抗变换段，提高整个天线的阻抗匹配程度，经过优化得到该段宽度为0.85mm；并且通过优化天线结构，增加临近谐振频率点，从而实现大幅度地扩展频带宽度。

实施例的仿真结果与分析：

采用电磁仿真软件HFSS对天线进行计算和分析，如图4所示的单个微带阵列天线单元S11曲线图，如图5所示的单个微带阵列天线单元驻波特性曲线，天线在谐振频率24.7GHz处S11为-43.85dB，电压驻波比VSWR= 1.0129，贴片单元与馈电匹配良好，且该天线结构的工作频率为24.2GHz-25.2GHz，相对带宽约为4.0%，馈电部分采用100欧姆馈电微带线。如图6所示的单个微带阵列天线单元阻抗特性曲线，在中心频率24.7GHz处输入阻抗

，其阻抗实部非常接近100Ω，虚部也相对较小，已最大程度完成了微带阵列天线单元天线与馈电微带线之间的匹配。如图7所示的单个微带阵列天线单元二维方向图，最大辐射方向垂直于贴片向上，该方向的天线最大增益为6.98dBi，E面和H面的3dB波瓣宽度分别为87.36°和79.53°。

如图8所示的1×8微带线阵天线S11曲线，1×8微带线阵天线在24.7GHz处S11为-47.37dB，且相对带宽由原来的4.0%扩宽到12.5%，馈电网络为各个贴片单元都实现了高效馈电。如图9所示的1×8微带线阵天线二维方向图，H面方向性得到明显的提高，3dB波束宽度由原来的79.53°减小到8.52°，方向性明显增强，增益增加至13.62dBi。

如图10所示的8×8微带阵列天线S11曲线，如图11所示的8×8微带阵列天线驻波特性曲线，在中心频点24GHz处电压驻波比VSWR=1.03，驻波特性良好，在22.79-24.9GHz频带内实现S11<-10dB，具有两个谐振频点，带宽为2.11GHz，相较于现有技术的同类型天线带宽400-600MHz，扩展了400%左右。如图12所示的8×8微带阵列天线二维方向图，如图13所示的8×8微带阵列天线三维方向图，E面和H面的3dB波束宽度分别为14.8°和14.2°，增益增加到了22dBi，同时副瓣电平分别为-24.6dB和-24.7dB，具有良好的方向性，实现了高增益、窄波瓣以及低副瓣电平的微带阵列天线。

Claims (5)

1.一种水文监测雷达平板微带阵列天线，由微带阵列天线单元通过阵列分布构成，其特征在于：八个所述微带阵列天线单元并排构成1×8微带线阵天线模型，八个1×8微带线阵天线模型并列构成8×8微带阵列天线，所述微带阵列天线单元包含天线贴片单元和介质基板，介质基板是厚度为0.508 mm、介电常数为3.66、损耗角正切为0.004的Rogers 4350B介质基板；天线贴片单元是矩形贴片，矩形贴片的初步尺寸根据传输线模型法和谐振腔模型法计算得出，矩形贴片采用侧馈方式馈电，在馈线与矩形贴片辐射边的接触处开槽调节阻抗匹配，槽深取1/3贴片长度。

2.根据权利要求1所述的水文监测雷达平板微带阵列天线，其特征在于：所述1×8微带线阵天线模型是8个微带阵列天线单元组成的中心对称的谐振式微带串馈阵列；相邻两个微带阵列天线单元的间距d＝λg，间距d的选取必须使得每个单元同相激励，且抑制栅瓣形成；采用泰勒分布法，即通过离散不等幅激励使得副瓣电平由近及远锥削式分布，不等幅激励对应于不等幅电流分布；通过四分之一波长阻抗匹配法，在主馈线上加入变换段，调节各段阻抗与主传输线阻抗之比实现电流分布；根据等效电路原理，求得各节对应的阻抗为Z1：Z2：Z3=81.87：64.58：54.97；Z4所对应的匹配段宽度通常仿真优化设计得到最优值；通过TXLINE软件将阻抗值转换得到对应每个阻抗匹配段的宽度。

3.根据权利要求2所述的水文监测雷达平板微带阵列天线，其特征在于：所述8×8微带阵列天线是将1×8微带线阵天线模型等效为一个阵元，并联8列1×8微带线阵天线模型组成8×8的对称微带阵列天线，阵列中心采用50Ω中心同轴馈电。

4.根据权利要求3所述的水文监测雷达平板微带阵列天线，其特征在于：所述S3中的8×8微带阵列天线采用单边为4个微带阵列天线单元的泰勒分布，纵向的四分之一波长阻抗取值与1×8微带线阵天线模型大致相同，在靠近同轴馈电孔处增加一段阻抗变换段，提高整个天线的阻抗匹配程度，经过优化得到该段宽度为0.85mm；并且通过优化天线结构，增加临近谐振频率点，实现大幅度地扩展频带宽度。

5.根据权利要求4所述的水文监测雷达平板微带阵列天线，其特征在于：所述天线的具体参数是：整个天线尺寸为56mm×56mm×0.508mm，8×8微带阵列天线的增益为22dBi，8×8微带阵列天线的E面3dB波束宽度为14.8°，8×8微带阵列天线的H面3dB波束宽度为14.2°，8×8微带阵列天线的E面副瓣电平为-24.6dB，8×8微带阵列天线的H面副瓣电平为-24.7dB。

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