CN215579057U

CN215579057U - 侧馈的单层宽频微带贴片及其微带天线阵和雷达

Info

Publication number: CN215579057U
Application number: CN202122299641.XU
Authority: CN
Inventors: 黎向阳
Original assignee: Changsha Ruixiang Perception Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Changsha Ruixiang Perception Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-23

Abstract

本实用新型涉及一种侧馈的单层宽频微带贴片及其微带天线阵和雷达，该微带贴片包括：介质基板、辐射贴片、接地面和微带馈电线；辐射贴片位于介质基板的上表面、接地面位于介质基板的下表面；微带馈电线连接辐射贴片；微带馈电线与辐射贴片的中心点的距离Ds＞0。相对于传统方式，最大区别在于微带馈电线并未位于辐射贴片的中心，而是与辐射贴片的中心有一个非零距离。这种馈电方式可以激励起两个互相正交的基模，即TM01模与TM10模，使微带贴片的输入阻抗达到宽带的效果，而无需增加其层数，不仅降低了其整体结构的重量、厚度，也降低了结构的复杂度和制造成本及制造难度。

Description

侧馈的单层宽频微带贴片及其微带天线阵和雷达

技术领域

本实用新型涉及微带天线、雷达导航领域，特别是一种单层宽频微带贴片及其微带天线阵和雷达。

背景技术

微带贴片及其天线阵由于结构简单、成本低廉、易于加工、可以安装于设备表面而不占用额外空间等优点而广泛应用。但是，其缺点也非常明显，即频带窄，一般仅适用于对增益、带宽要求不高的设备，对诸多对增益、带宽要求高的设备，如无线电导航的雷达设备(G01S分类号)等，并不适用。

但是，为了避免激励起交叉极化模，传统的微带馈电线，即馈电点位置设在微带贴片宽度的中间位置。使用这种馈电方式，辐射贴片的相对频带约为5％，组阵后频带将进一步减小，其减小的程度取决于阵的大小。但在许多应用场合，要求微带贴片天线阵的相对频带能够达到10％。现有技术中，通常通过叠加多层贴片以展宽频带，其代价是增加厚度、增加重量、增加结构复杂性。因此，如何在不增加微带贴片厚度、重量、层数的基础上，展宽频带达到预期宽带指标要求，以应用于对增益、带宽要求高的设备(如雷达设备)是目前亟待解决的一个技术问题。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，提出一种侧馈的单层宽频微带贴片，包括：介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40；

所述辐射贴片20位于所述介质基板10的上表面、所述接地面30位于所述介质基板10的下表面；所述微带馈电线40连接所述辐射贴片20；

所述微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离Ds＞0。

进一步地，所述微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离，由所述微带贴片的预期带宽确定。

进一步地，所述微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离Ds＞0.8mm。

进一步地，所述微带馈电线40的宽度，取0.4-1.0mm之间。

进一步地，所述辐射贴片20为矩形贴片。

另一方面，本实用新型还提供一种侧馈的单层宽频微带天线阵，包括若干上述任意的微带贴片，按照馈电网络排列成所述微带天线阵。

进一步地，所述微带贴片在电磁波极化的正交方向上两两配对设置。

另一方面，本实用新型还提供一种雷达，包括上述任意的微带贴片或上述任意的微带天线阵。

本实用新型提供的侧馈的单层宽频微带贴片及其微带天线阵和雷达，相对于传统方式，最大区别在于微带馈电线40，即馈电点位置，并未位于辐射贴片20的中心，而是与辐射贴片20的中心有一个非零距离，也就是说其偏离于辐射贴片20的中心。按照微带贴片天线腔模理论的分析，常规微带贴片，微带馈电线40，即馈电点，位于辐射贴片20的中部宽度方向的中心位置，只能激励起一个基模，即TM01模，其余为高次模，此时贴片的阻抗频带一般小于5％。常规设计中，为了增加辐射贴片20的阻抗频带，只能增加其层数，使其重量增加、厚度增加、结构复杂化。而本实用新型通过改进微带馈电线40与辐射贴片中心点的距离，即馈电点的位置，使得微带馈电线40并未位于辐射贴片20的中部，而是与辐射贴片20的中心点有一个非零的距离，也就是说其偏离于辐射贴片20的中心，这种馈电方式可以激励起两个互相正交的基模，即TM01模与TM10模，使得互相正交的两种谐振模被激励，通过调整这两种谐振模的谐振频率，即可使微带贴片的输入阻抗达到宽带的效果，而无需增加其层数，不仅降低了其整体结构的重量、厚度，也降低了结构的复杂度和制造成本及制造难度。

附图说明

图1为本实用新型的侧馈的单层宽频微带贴片的一个实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的一个实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法的一个实施例的流程图；

图4为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法的另一个实施例的流程图；

图5为本实用新型的侧馈的单层宽频微带贴片以400Ω为参考的一个实施例的回波损耗图；

图6为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵距离馈电点约四分之一馈线波长的输入阻抗图；

图7为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的一个实施例的2*2元子阵图；

图8为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的一个实施例的2*2元贴片的回波损耗图；

图9为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的一个实施例的8*2元贴片的回波损耗图；

图10为本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵的一个实施例的8*2元贴片的中心频率主平面方向图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供一种侧馈的单层宽频微带贴片，包括：介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40；其中，辐射贴片20位于介质基板10的上表面、接地面30位于介质基板10的下表面；微带馈电线40连接辐射贴片20，其实用新型核心在于，微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds＞0。

具体的，介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40的材质、尺寸等可由本领域技术人员根据实际需求而任意设定。示例的，介质基板10可由本领域技术人员根据介质材料的介电常数、损耗角正切值等结合预期指标而自由选定，可选但不仅限于为FR4环氧树脂、聚四氟乙烯等国产介质基板，或高频响应特性更优良的Rogers_R03003介质基板，以更有益于提高辐射频率和增益；辐射贴片20可选但不仅限于为金属贴片，形状优选为辐射贴片；接地面30可选但不仅限于为铜箔。更为具体的，介质基板10、辐射贴片20、接地面30、微带馈电线40的长度、宽度、厚度等可由本领域技术人员根据实时需求而任意设定。

在该实施例中，本实用新型侧馈的单层宽频微带贴片，相较于现有技术的常规微带贴片，最大的改进在于微带馈电线40，即馈电点位置，并未位于辐射贴片20的中心，而是与辐射贴片20的中心有一个非零距离，也就是说其偏离于辐射贴片20的中心，该偏离距离Ds优选为大于0.8mm，具体由其预期带宽要求确定。按照微带贴片天线腔模理论的分析，常规微带贴片，微带馈电线40，即馈电点，位于辐射贴片20的中部宽度方向的中心位置，只能激励起一个基模，即TM01模，其余为高次模，此时贴片的阻抗频带一般小于5％。常规设计中，为了增加辐射贴片20的阻抗频带，只能增加其层数，使其重量增加、厚度增加、结构复杂化。而本实用新型通过改进微带馈电线40与辐射贴片中心点的距离，即馈电点的位置，使得微带馈电线40并未位于辐射贴片20的中部，而是与辐射贴片20的中心点有一个非零的距离，也就是说其偏离于辐射贴片20的中心，这种馈电方式可以激励起两个互相正交的基模，即TM01模与TM10模，使得互相正交的两种谐振模被激励，通过调整这两种谐振模的谐振频率，即可使微带贴片的输入阻抗达到宽带的效果，而无需增加其层数，不仅降低了其整体结构的重量、厚度，也降低了结构的复杂度和制造成本及制造难度。

如图2所示，本实用新型基于该侧馈的单层宽频微带贴片，还提供了一种侧馈的单层宽频微带天线阵，即将上述若干个单层宽频微带贴片按照一定的馈电网络排列而成。具体的，该单层宽频微带天线阵可选但不仅限于包括一个整体或多个分体的介质基板10，下表面设置接地面30，上表面设置辐射贴片20；介质基板10、接地面30、辐射贴片20和微带馈电线40的长度、宽度、厚度等尺寸及材质；以及各辐射贴片20的间距、与介质基板10边缘的间距等参数，均可由本领域技术人员根据频带宽度等预期指标而自由设定。

优选的，由于一般情况下，微带天线阵的辐射场只需要一个方向的极化场，这样另一个方向不需要的极化场必须要消除。因此，微带贴片中的辐射贴片20可选但不仅限于在电磁波极化的正交方向上两两配对设置。这样，在电磁波极化方向上，两个辐射贴片的辐射场方向相同，互相叠加；而在正交极化方向上，两个辐射贴片的辐射场方向相反，互相抵消。

如图3所示，本实用新型还提供一种侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法，以用于设计上述任意的微带天线阵，包括：

S1：获取微带天线阵的性能参数和预期指标；

S2：根据预期指标，确定辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量；

S3：根据辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量，确定微带天线阵的馈电网络；

S4：根据馈电网络，确定每个辐射贴片20的输入阻抗；

S5：根据输入阻抗、性能参数和预期指标，确定辐射贴片20的尺寸、微带馈电线40的尺寸和微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds；

S6：确定每个辐射贴片20的间距。

在该实施例中，给出了基于本实用新型单层宽频微带天线阵的一个具体设计方法，涉及如何设置辐射贴片20的数量、尺寸、间距、馈电网络、微带馈电线40的尺寸、馈电位置等方方面面。由于其微带馈电线40同样的与辐射贴片20的中心点存在一个非零的距离Ds，其技术效果与单层宽频微带天线阵一致，在此不再赘述。

优选的，如图4所示，本实用新型的设计方法，还包括S7：仿真验证微带天线阵，若微带天线阵满足预期指标，则验证成功，结束；若微带天线阵不满足预期指标，则验证失败，调整辐射贴片20的尺寸、微带馈电线40的尺寸和微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds，直至仿真验证成功。以对基于上述设计方法设置而成的微带天线阵做仿真验证，以确保其满足预期指标要求。

具体的，步骤S1中，性能参数可选但不仅限于包括介质基板10的相对介电常数ε_r；预期指标，可选但不仅限于包括天线阵的波束宽度和电磁波中心频率f。步骤S2，可选但不仅限于根据预期的波束宽度，确定辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量。步骤S3，可选但不仅限于根据该数量，确定并联、串联、串并结合等馈电网络。步骤S4，可选但不仅限于根据既定的馈电网络、同轴馈电点所要求的输入阻抗，确定分配至每个辐射贴片20所要求的输入阻抗。步骤S5，根据当前输入阻抗、性能参数和预期指标，确定辐射贴片20的宽度W、长度L、微带馈电线40的宽度W_f、长度L_feed和微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds。步骤S6，可选但不仅限于按照上述确定的单个辐射贴片20，按照既定的馈电网络设计完整的微带天线阵，并按照中心频率指标中各个贴片对同相辐射的要求调整各个辐射贴片对的间距。步骤S7，可选但不仅限于通过CST软件仿真验证当前设计的微带天线阵，若满足波束宽度的预期宽带指标要求，则表明验证成功，结束设计任务；若不满足波束宽度的预期宽带指标要求，则表明验证失败，优选于通过调整微带馈电线40的宽度W_f或/和所述微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离Ds实现对输入阻抗的调节，以改进微带天线阵的各项性能指标，直至达到波束宽度的预期宽带指标要求，结束设计任务。

更为优选的，若验证失败，具体为减少微带馈电线40的宽度W_f或/和减少微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离，以增加阻抗，达到预期宽带指标要求。更为优选的，微带馈电线40的宽度W_f可选但不仅限于控制在0.4-1.0mm之间，以降低制造难度和制造成本。在微带馈电线40的宽度W_f超出该宽度范围时，优选于通过调节微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds来满足预期宽带指标要求。

更为优选的，步骤S5中，采用公式(1)计算辐射贴片20的宽度W；采用公式(2)计算辐射贴片20的长度L；采用公式(3)计算微带馈电线40辐射的长度L_feed。值得注意的，公式中的百分比仅为优化数值阈值，可由本领域技术人员根据实际需求任意设置或舍弃。

其中，W为辐射贴片的宽度，c为自由空间光速，f为电磁波中心频率，ε_r为介质基板的相对介电常数。

更为优选的，微带馈电线宽度W_f与距离Ds可由本领域技术人员凭经验根据预期指标要求而设定初始值。具体的，为考虑印制板的制造精度，降低制造难度，微带馈电线宽度W_f一般可选但不仅限于大于0.3mm，优选为0.4-0.5mm之间。微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds一般可选但不仅限于从0.8mm起始，因为距离太小，所需极化方向的主模幅度也会太小，这样天线的增益会达不到指标要求。然后，再通过仿真，根据阻抗仿真结果进行微调。具体的，减小微带馈电线宽度W_f或微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds可以增加阻抗；加大微带馈电线宽度W_f或微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds可以减小阻抗。

为更好的解释本实用新型侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法，下面以设计一组微带天线阵作示例说明：

S1’：获取微带天线阵的性能参数和预期指标(示例的，波束宽度：E面方位面：10°；H面俯仰面：33°；电磁波中心频率：15.5GHz；频带：>1.5GHz；驻波：<2.0；增益：>19dB)

S2’：根据波束宽度指标(E面方位面：10°；H面俯仰面：33°)分析，若使用矩形辐射贴片来设计本微带天线阵，则极化方向H面需布置为2个辐射贴片20，正交方向E面需布置8个辐射贴片20；如图2所示。

S3’：根据预期指标要求，可知本微带天线阵的相对频带宽度约10％。若按照常规的单层微带天线阵设计，其频带不可能满足要求，需要采用本实用新型的侧馈的单层宽频微带天线阵，使其馈电点偏离辐射贴片20的中心。初步确定天线的结构如图2所示，中间圆盘位置为同轴馈电点，其一分为二，每一边分别是一个级联馈电的4×2元贴片阵。

S4’：理想情况下，若需要两个4×2元贴片阵并联的输入阻抗为50Ω，与同轴线刚好匹配，则要求单个4×2元贴片阵的输入阻抗为100Ω。在级联馈电结构中，4×2元贴片阵输入阻抗相对于8个贴片的并联输入阻抗。因此，若使两个4×2元贴片阵的输入阻抗为50Ω，则每一个辐射贴片与主馈线连接点的输入阻抗需要为800Ω。在宽带情况下，这个输入阻抗太高了，若我们将其减半，让每一个辐射贴片与主馈线连接点的输入阻抗为400Ω，则需要通过在同轴馈电点两边采用偏离中心的微带馈电线40降低阻抗需求。

S5’：根据步骤S5，确定辐射贴片20的宽度W为8mm，辐射贴片20的长度L为6.5mm，微带馈电线40辐射的长度L_feed为四分之一微带线波长。进而确定微带馈电线40的宽度W_f和微带馈电线40与辐射贴片20的中心点的距离Ds，并通过后续仿真调整。

S6’：根据微带馈电线的宽度W_f，利用软件或近似公式得到微带线波长。由于微带天线阵中的每个贴片均为同相辐射，因此，每一对贴片之间的间距为一个微带线波长。后续若仿真结果不满足预期指标，可根据仿真结果进行微调。

S7’：假设微带基板厚度为1mm，相对介电常数为2.55，则1mm宽度微带线的特性阻抗为82.6Ω。使用它作为辐射贴片的微带馈电线，若辐射贴片在主馈线分支处的阻抗为400Ω，则辐射贴片在馈电点的输入阻抗为82.6²/400＝17Ω。通过CST软件验证，并调整微带馈电线40的宽度W_f或/和所述微带馈电线40与所述辐射贴片20的中心点的距离Ds，最终得到以400Ω为参考的贴片回波损耗，如图5所示，回波损耗小于-10dB的频带宽度为2.01GHz，相对带宽13％，满足预期指标要求。具体的，距离贴片馈电点约四分之一馈线波长处的贴片输入阻抗如图6所示，图中说明贴片在主馈线分支处的输入阻抗约为400Ω。

更为优选的，由于辐射贴片之间存在耦合影响，在微带天线阵中的各个辐射贴片无论是尺寸还是输入阻抗都是有差别的，若把设计好的辐射贴片直接按照图2的方式构成一个8×2元微带天线阵，可能由于耦合作用，而造成微带天线阵整体难于调整。因此，可选但不仅限于首先调试微带馈电的2×2元贴片阵(如图7所示)，其主馈线宽度为1mm，特性阻抗为82.7Ω。经过仿真计算，2×2贴片阵的回波损耗如图8所示，回波损耗小于-10dB的频带宽度为1.98GHz，与单个贴片的回波损耗基本一致。再把2×2贴片阵按照图2的方式构成一个8×2元微带天线阵，主馈线的宽度为1mm，中间为50Ω同轴馈电点。8×2贴片阵总的输入阻抗相对于4个2×2贴片阵并联，故其总的输入阻抗为82.7/4＝20.7Ω，比50Ω的同轴线要低，故在馈电点的两边需要使用从地阻到高阻的阻抗变换，采用四分之一微带线可以完成这种阻抗变换。最后得到8×2贴片阵的回波损耗如图9所示，回波损耗小于-10dB的频带宽度为2.03GHz，相对频带宽度为13％，满足预期指标要求。图10为中心频率两个主平面的方向图。从方向图可知，E面水平面方向图是不对称的，这是因为天线在E面结构是不对称的，从而导致E面方向图在两边有差异，但这种差异主要是副瓣电平区域，因此，对使用是没有影响的。值得注意的，该示例仅为解释说明，并不对本实用新型侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法做任何限定，

另一方面，本实用新型还提供一种雷达，包括上述任意的微带贴片或微带天线阵或设计方法所设计的微带天线阵。值得注意的，该应用性示例并不对本实用新型微带天线、天线阵及其设计方法的应用范围作任何限定，本领域技术人员可根据实际需求将基于本实用新型实用新型宗旨的微带天线、天线阵及其设计方法应用于期待高增益、宽带宽的任何适应领域。

上述微带天线阵、设计方法和雷达的实用新型核心基于上述单层宽频微带贴片的实用新型核心，其技术作用、有益效果和技术特征的组合在此不再赘述。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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

1.一种侧馈的单层宽频微带贴片，其特征在于，包括：介质基板(10)、辐射贴片(20)、接地面(30)和微带馈电线(40)；

所述辐射贴片(20)位于所述介质基板(10)的上表面、所述接地面(30)位于所述介质基板(10)的下表面；所述微带馈电线(40)连接所述辐射贴片(20)；

所述微带馈电线(40)与所述辐射贴片(20)的中心点的距离Ds＞0。

2.根据权利要求1所述的微带贴片，其特征在于，所述微带馈电线(40)与所述辐射贴片(20)的中心点的距离，由所述微带贴片的预期带宽确定。

3.根据权利要求1所述的微带贴片，其特征在于，所述微带馈电线(40)与所述辐射贴片(20)的中心点的距离Ds＞0.8mm。

4.根据权利要求1所述的微带贴片，其特征在于，所述微带馈电线(40)的宽度，取0.4-1.0mm之间。

5.根据权利要求1所述的微带贴片，其特征在于，所述辐射贴片(20)为矩形贴片。

6.一种侧馈的单层宽频微带天线阵，其特征在于，包括若干权利要求1-5任意一项所述的微带贴片，按照馈电网络排列成所述微带天线阵。

7.根据权利要求6所述的微带天线阵，其特征在于，所述微带贴片在电磁波极化的正交方向上两两配对设置。

8.一种雷达，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述微带贴片或权利要求6-7任意一项那个所述的微带天线阵。