CN214411547U - 应用于井中测距毫米波雷达的窄波束低剖面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于井中测距毫米波雷达的窄波束低剖面阵列天线，提供了一种新的井中测距天线的设计方案。本实用新型井中测距窄波束低剖面天线阵列包含：微带串馈阵列天线、T型结馈电结构。该发明的应用为井下使用毫米波雷达探测水位，由于水位距井盖并不远且井盖的直径较小，传统的侧馈式阵列天线波束较宽，无法满足探测水位的要求。需要发明一种非高增益的笔状波束阵列天线结构。上述的笔状波束阵列天线结构用一个微带形式的T型结在天线中间馈电，这样可以增加天线串馈的阵元数目以达到降低波束宽度的目的。这种笔状波束的阵列天线比较适合用于毫米波雷达在井下探测水位。

Description

应用于井中测距毫米波雷达的窄波束低剖面阵列天线

技术领域

本实用新型涉及阵列天线的技术领域，具体是一种由T型结中间馈电、低剖面、超窄波束的微带阵列天线形式。

背景技术

近年来，随着阵列天线、MIMO技术、毫米波雷达技术等快速发展，毫米波阵列天线的使用率越来越高，对雷达射频板中的天线阵列提出了小型化、窄波束、高增益等要求。

微波天线作为毫米波雷达与空间磁场的接口，对雷达产品的特点、性能以及应用情况起着至关重要的作用。传统的毫米波收发设备多采用喇叭天线或是波导馈电作为微波收发的最末端，体积大、成本高使其并不适用于车载工况。微带阵列天线是指在印刷电路上使用微带技术制造的天线，主要用于微波频段；微带阵列天线具有体积小、效率高、成本低和易生产等优势，因此成为新兴的毫米波雷达首选的天线技术。

对于井下水位测距，一般来说水位距井盖并不远，所以对于天线增益没有很高的要求。但是，井盖直径比较小，所以要求天线的波束非常窄，传统的侧馈式微带阵列天线能做到的贴片单元有限，无法实现较窄的波束，对于井中测距或某些需要超窄笔状波束的应用场景有一些局限性。

实用新型内容

为解决上述背景技术中的问题，我们需要发明一个由T型结从天线中间馈电的笔状波束阵列天线形式，使本实用新型的微带阵列天线具有高增益、超窄波束、方向性好的特点。

本实用新型的第一个目的是提出一种串馈微带阵列天线，包括介质基板和位于介质基板之上的贴片阵列天线，贴片阵列天线包括多个串联的矩形辐射体，多个矩形辐射体之间通过微波馈线彼此连接，并通过T型结馈电结构在天线中间拉出来进行馈电。T型结馈电结构包含呈中心对称的功分器结构，同时T型结还包含一个180度的移相器，多个矩形辐射体相对于T型结馈电结构对称布置成一字型排列。

进一步的，每相邻两个矩形辐射体为不等距分布，且所有矩形辐射体的横向中线重合，矩形辐射体的横向中线与微波馈线的横向中线重合。

进一步的，多个矩形辐射体的横向长度相同，单个线阵的贴片阵列天线位于T型结馈电结构两端的矩形辐射体的纵向宽度最大，多个矩形辐射体的纵向宽度沿天线两端的方向逐渐减小。

进一步的，单个线阵的贴片阵列天线有两个实例，其中分别包括个12个矩形辐射体和40个矩形辐射体。

进一步的，矩形辐射体的长度Lp、宽度Wp，尺寸确定计算公式为：

其中：

c为光速，f0为指定频段的中心频率，ε_r为介质基板的介电常数，h为介质基板厚度。

本实用新型的第二个目的是提出一种中馈式组合微带阵列天线结构，每个中馈式组合微带阵列天线结构都包含两个上述的贴片阵列天线，两个贴片阵列天线通过包含有反相器的T型结馈电结构进行连结，T型结馈电结构和贴片阵列天线都位于介质基板上。

本实用新型包含两个实例，其中一个实例包含12个中馈式组合微带阵列天线结构，这12个中馈式组合结构沿着介质基板的横向方向平行放置。每个中馈式组合阵列天线结构包含两个贴片阵列天线，两个贴片阵列天线沿着介质基板的竖向方向等距分布，而每个贴片阵列天线又包含12个矩形辐射体；另一个实例包含40个中馈式组合微带阵列天线结构，这40个中馈式组合结构沿着介质基板的横向方向平行放置。每个中馈式组合阵列天线结构包含两个贴片阵列天线，两个贴片阵列天线沿着介质基板的竖向方向等距分布，而每个贴片阵列天线又包含40个矩形辐射体。

优选的，相邻两中馈式组合天线之间的距离为0.8λ。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的串馈微带阵列天线采用串馈馈电，在指定的毫米波频段内增益较高。同时由于采用了中馈式组合阵列天线结构，该天线的波束宽度非常窄，是一个笔状波束。适用于横向探测范围较窄的应用场景，例如：井下水位测距等。

附图说明

图1为本实用新型实例1提供的一种单线阵微带阵列天线结构的俯视图；

图2为本实用新型实例1提供的一种中馈式组合微带阵列天线结构的俯视图；

图3为本实用新型实例2提供的一种单线阵微带阵列天线结构的俯视图；

图4为本实用新型实例2提供的一种中馈式组合微带阵列天线结构的俯视图；

图5为本实用新型实例1提供的窄波束低剖面阵列天线的回波损耗图；

图6为本实用新型实例2提供的窄波束低剖面阵列天线的回波损耗图；

图7为本实用新型实例1提供的窄波束低剖面阵列天线的方向图；

图8为本实用新型实例2提供的窄波束低剖面阵列天线的方向图；

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。附图中给出了本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

图1为实施例1中单串微带阵列天线的顶部视图，图2为12*12中馈式组合微带阵列贴片天线的俯视图。如图1所示，该单线阵阵列天线包含一个介质基板(11)，包含6个串联的纵向宽度沿天线两端方向逐渐减小的矩形辐射体(12)，一个四分之一波长阻抗变换器(13)和6段连结矩形辐射体的微波馈线 (14)。如图2所示，横向方向上有12个间距0.8λ的上述图1单串微带阵列天线，同时纵向方向上有2个沿180度反相器结构(5)对称的上述单串阵列天线，还包含T型结馈电结构(16)(17)。在本例中，一共有24个相同的图1所示天线阵列，他们分别沿T型结馈电结构横向和纵向对称分布。图1中的单串微带阵列天线工作在准TEM模式下，一般的，两个矩形辐射体(2)之间的纵向间距为一个介质波长，每个矩形辐射体(2)的纵向长度大约为半个介质波长。矩形辐射体(2)的两个纵向贴片边缘可以等效为两个缝隙，辐射场的能量也主要产生在辐射体边缘与接地板之间的缝隙。该实例用T型结中间馈电，在纵向上沿着T型结对称串馈两个相同的图1单串微带阵列天线，相较于传统侧边馈电方式串接了更多的矩形辐射体单元，可以在纵向辐射上空方向得到一个更窄的波束宽度。由于串馈式贴片阵列天线两个矩形辐射体同一侧的辐射边相距一个介质波长，所以在T型结馈电结构接另一侧的单串微带阵列天线处需要加一个反相器结构保证串馈状态。图5所示为实例1中组合微带阵列天线的T型结馈电结构端口的回波损耗图，可以看出T型结馈电结构很好的实现了能量的传输。图6所示为实例1提供的窄波束低剖面阵列天线的方向图，可以看到两个辐射面方向都是高增益且非常窄的笔状波束，可以满足井下探测水位的要求。

实施例2

图3为本实用新型实施例2中单串微带阵列天线的俯视图，图4为40*40 中馈式组合微带阵列贴片天线的俯视图。如图3所示，该单线阵阵列天线包含一个介质基板(21)，包含20个串联的纵向宽度沿天线两端方向逐渐减小的矩形辐射体(22)，一个四分之一波长阻抗变换器(23)和20段连结矩形辐射体的微波馈线(24)。如图4所示，横向方向上有20个相距0.8个介质波长的上述图3单串微带阵列天线，同时纵向方向上有2个沿180度反相器结构(25) 对称的上述单串阵列天线，还包含T型结馈电结构(26)(27)。在本例中，一共有40个相同的图1所示天线阵列，他们分别沿T型结馈电结构横向和纵向对称分布。图1中的单串微带阵列天线工作在准TEM模式下，一般的，两个矩形辐射体(22)之间的纵向间距为一个介质波长，每个矩形辐射体(22)的纵向长度大约为半个介质波长。矩形辐射体(22)的两个纵向贴片边缘可以等效为两个缝隙，辐射场的能量也主要产生在辐射体边缘与接地板之间的缝隙。该实例用T型结中间馈电，在纵向上沿着T型结对称串馈两个相同的图3单串微带阵列天线，相较于传统侧边馈电方式串接了更多的矩形辐射体单元，可以在纵向辐射上空方向得到一个更窄的波束宽度。由于串馈式贴片阵列天线两个矩形辐射体同一侧的辐射边相距一个介质波长，所以在T型结馈电结构接另一侧的单串微带阵列天线处需要加一个反相器结构保证串馈状态。图7所示为实例1中组合微带阵列天线的T型结馈电结构端口的回波损耗图，可以看出T型结馈电结构很好的实现了能量的传输。图8所示为实例2提供的窄波束低剖面阵列天线的方向图，可以看到两个辐射面方向都是高增益且非常窄的笔状波束，可以满足井下探测水位的要求。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种应用于井中测距的毫米波雷达的窄波束低剖面阵列天线，其特征在于包括介质基板和所述介质基板上的贴片阵列天线，所述贴片阵列天线包括串馈的多个单串微带贴片阵列天线，所述单串微带贴片阵列天线又包含多个矩形辐射体，所述多个矩形辐射体之间通过微波馈线彼此连接，所述单串微带贴片阵列天线通过T型结馈电结构在天线中间拉出来进行馈电，

其中，所述T型结馈电结构包含呈中心对称的功分器结构，所述多个矩形辐射体相对于该T型结馈电结构对称布置成一字型排列，以实现一个高增益的笔状波束。

2.根据权利要求1所述的窄波束低剖面阵列天线，其特征在于，在所述单串微带贴片阵列天线中，每相邻两个所述矩形辐射体为不等距分布，且所有所述矩形辐射体的横向中线重合，所述矩形辐射体与所述微波馈线的横向中线重合。

3.根据权利要求1至2任一项所述的窄波束低剖面阵列天线，其特征在于，在所述单串微带贴片阵列天线中，所述多个矩形辐射体的横向长度相同，单个线阵的所述贴片阵列天线位于该T型结馈电结构两端的所述矩形辐射体的纵向宽度最大，所述多个矩形辐射体的纵向宽度沿天线两端的方向逐渐减小。

4.根据权利要求1至2任一项所述的窄波束低剖面阵列天线，其特征在于，在所述单串微带贴片阵列天线中，单个线阵的所述贴片阵列天线中分别包括个12个矩形辐射体或40个矩形辐射体。

5.根据权利要求1至2任一项所述的窄波束低剖面阵列天线，其特征在于，在所述单串微带贴片阵列天线中，所述矩形辐射体的长度Lp、宽度Wp，尺寸确定计算公式为：

其中：

c为光速，f0为指定频段的中心频率，ε_r为介质基板的介电常数，h为介质基板厚度。

6.一种中馈式组合微带阵列天线结构，其特征在于，该中馈式组合微带阵列天线结构都包含两个权利要求1至权利要求5中任一项所述的窄波束低剖面阵列天线，其中，两个所述贴片阵列天线通过包含有反相器的T型结馈电结构进行连结，所述T型结馈电结构和所述贴片阵列天线都位于介质基板上。

7.一种中馈式组合微带阵列天线，其特征在于，

其中包含12个如权利要求6所述的中馈式组合微带阵列天线结构，这12个所述中馈式组合结构沿着介质基板的横向方向平行放置，其中两个所述贴片阵列天线沿着介质基板的竖向方向等距分布，而每个所述贴片阵列天线又包含12个所述矩形辐射体；或者

包含40个如权利要求6所述的中馈式组合微带阵列天线结构，这40个所述中馈式组合结构沿着介质基板的横向方向平行放置，其中，两个所述贴片阵列天线沿着介质基板的竖向方向等距分布，而每个所述贴片阵列天线又包含40个所述矩形辐射体。

8.根据权利要求7所述的中馈式组合微带阵列天线，其特征在于，相邻两中馈式组合微带阵列天线结构之间的距离为0.8λ。

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