CN220420906U - 一种c波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种C波段低副瓣和差波束微带贴片天线阵列，包括微带贴片天线单元阵列、馈电网络及和差波束功分器；所述微带贴片天线单元阵列被均匀划分为多个子阵列；所述馈电网络采用不等功分功分器，其数量与子阵列的数量相同；多个馈电网络的输入端分别与和差波束功分器的输出端连接，每个馈电网络的输出端分别与其所对应的子阵列中的微带贴片天线单元连接，且输出端的幅度满足切比雪夫电流分布。本实用新型可实现天线在C波段形成和差波束方向图，并具有低副瓣的特性，适用于雷达系统。

Description

一种C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线

技术领域

本实用新型涉及微带天线技术领域，特别涉及一种C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，适用于雷达系统。

背景技术

微带天线具有体积小、质量轻、低剖面、易于集成、馈电网络简单、低成本、制造简单等优点。但微带天线单元存在增益低，方向性弱的缺点。为了满足一些特定的工作性能，将微带辐射单元组成微带阵列天线，以适用于特定的场景需求，如：高增益、高功率、低副瓣、波束扫描或波束控制等特性。

C波段的频率范围是4-8GHz，微带贴片阵列天线常用于C波段雷达系统中。在C波段雷达系统中，其天线尺寸允许获得很好的角精度和分辨率，大多数气象雷达系统均为C波段雷达。在雷达的具体应用中需要天线产生和波束和差波束两种类型的方向图来实现角度测量。雷达系统中的天线均有副瓣，而且覆盖主瓣以外的所有区域，天线的副瓣对雷达的最大探测距离有一定的影响，天线副瓣越低时，对雷达的最大探测距离影响越小并且天线的副瓣越低天线抗干扰的能力越强。

例如申请公布号为CN 114498012 A，名称为“一种毫米波雷达的宽带低副瓣微带阵列天线”的专利申请，公开了一种毫米波频段的低副瓣微带阵列天线，包括第一介质基板、微带贴片阵列天线、馈电网络、第二介质基板和寄生贴片，通过采用串联微带贴片单元和馈电网络实现了天线的低副瓣特性，但由于馈电网络与微带贴片阵列天线在同一表面，馈电网络的辐射影响了微带贴片阵列天线的辐射，使得天线降低副瓣的效果变差，仅有15dB。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种C波段低副瓣和差波束的微带贴片阵列天线，旨在降低天线的副瓣电平。

为实现上述目的，本实用新型包括微带贴片天线单元阵列1、馈电网络2及和差波束功分器3；所述微带贴片天线单元阵列1被均匀划分为多个子阵列；所述馈电网络2采用不等功分功分器，其数量与子阵列的数量相同；多个馈电网络2的输入端分别与和差波束功分器3的输出端连接，每个馈电网络2的输出端分别与其所对应的子阵列中的微带贴片天线单元连接，且输出端的幅度满足切比雪夫电流分布。

上述阵列天线，其顶部的中心位置固定有校准天线4，用于对比各子阵列之间的相位关系。

上述校准天线4，采用单极子天线结构。

上述微带贴片天线单元，包括上下层叠形状为方形的的第一介质基板11和第二介质基板12；所述第一介质基板11的上表面印制有矩形辐射贴片13，下表面印制有第一金属地板14；所述第二介质基板11的下表面印制有第二金属地板15。

上述矩形辐射贴片13，其中心位于第一介质基板11的中心法线上，且矩形辐射贴片13的两组对边分别与第一介质基板11的两组对边平行。

上述多个馈电网络2，印制在第三介质基板5的下表面。

上述和差波束功分器3，印制在第四介质基板6的下表面。

上述馈电网络2，其输出端分别通过金属化过孔与其所对应的子阵列中的微带贴片天线单元连接。

上述馈电网络2，其输入端的SMA接头与和差波束功分器3的输出端通过环形器连接。

上述第三介质基板5与第四介质基板6形成上下层叠结构，且该层叠结构位于微带贴片天线单元阵列1的下方。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型和差波束功分器与馈电网络处于不同的平面，避免了馈电网络的辐射对微带贴片阵列天线的辐射的影响，且馈电网络采用的不等功分功分器，通过调节不等功分功分器的线长与线宽使得其输出的电流相位相同，幅度满足切比雪夫电流分布，可以有效降低天线的副瓣电平。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型微带贴片天线单元的结构示意图；

图3为本实用新型馈电网络的结构示意图；

图4为本实用新型和差波束功分器的结构示意图；

图5为本实用新型馈电网络与和差波束功分器的连接关系图；

图6为本实用新型实施例VSWR-频率曲线图；

图7为本实用新型实施例和波束增益仿真值-角度曲线图；

图8为本实用新型实施例差波束增益仿真值-角度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步地详细说明。

参照图1，本实用新型包括微带贴片天线单元阵列1、馈电网络2及和波束功分器3，其中：

所述校准天线4，其结构如图1所示，中心单元为长约1.5mm的单极子天线，通过法兰和校准天线底座置于微带贴片天线单元阵列1,校准天线用于测量四个天线子阵之间的相位关系，在天线接收时通过对各子阵列相对校准天线的相位弥补使得各子阵列相对校准天线的相位相等。

所述微带贴片天线单元阵列1，其结构如图2，包括第一介质基板11与位于其上表面的矩形辐射贴片13，贴片长17.8mm，宽14mm，通过调节矩形辐射贴片13的长度和宽度可以使天线工作在C波段内，且辐射贴片13与馈电网络2左右对称保证天线方向图的对称性；第二介质基板12分别位于其上表面与下表面的第一接地板14与第二接地板15，在第一接地板14与第二接地板15的相同位置处开有大小相同的避让孔，避让孔的直径略大于用于连接馈电网络与辐射贴片的金属柱直径，以防止天线短路，同时两接地板上开有激励端口的孔位；

所述馈电网络2结构如图3所示，馈电网络2采用一分十六不等功分功分器，通过切比雪夫分布算法可得到各输出端口的电流幅度权值如表一所示，调节一分十六功分器的微带线宽和微带线长可获得与算法得到结果相匹配的不等功分功分器，并且一分十六功分器各输出端口的相位差在5°以内，以此来提升天线的副瓣电平；第一介质基板11与第三介质基板5的尺寸大小为250mm×250mm×1.016mm，选用介电常数为3的F4B材料，第二介质基板12的尺寸大小为250mm×250mm×0.2mm，选用介电常数为3.52的材料。

表一：馈电网络2各端口归一化功率权值

所述微带贴片天线单元阵列1，其正中心开有四个小通孔和一个大通孔，以放置校准天线4；校准天线1通过法兰和校准天线底座进行固定，校准天线1的单极子天线11外侧包裹着介质以防止在测量过程中损坏校准天线1；在阵列天线的四周开有通孔用于固定。

所述微带贴片天线单元阵列1，四个子阵的激励端口采用拔插式的SMA接头，先在阵列天线上焊接SMA接头的底座，再将SMA接头与底座连接，使得天线方便组装。

所述和差波束功分器3，结构如图4所示，包括第四介质基板6以及印制于其上表面的一分四等功分功分器和印制于其下表面的第三金属地板，第四介质基板采用厚度为0.2mm，介电常数为3的F4B材料。

所述和波束功分器3由一分四等功分器组成，天线左右子阵之间相位相差180°，功分器左右两个输出端口与末端两个输出端口之间相位相差180°，以此可以获得天线的和波束；当左右两个输出端口与末端两个端口之间相位相差0°时，可以获得天线的差波束。和波束为发射波束，通过和波束功分器3的输入端口输入信号，经过环形器传输天线激励端口再传输到天线子阵；差波束为接收信号，天线子阵接收到信号由激励端口传输到环形器再传输到后接的系统，在数字域中形成差波束。

本实用新型的工作原理是，天线发射时本实用新型由和波束功分器3的输入端口进行馈电，能量通过和波束功分器的4个输出端口经过环形器传递到4个子阵的激励端口，激励端口将能量传递到馈电网络2中，一分十六不等功分功分器的输出端通过金属通孔将能量传递到辐射贴片13进而向外辐射能量形成和波束；天线接收时，天线子阵接收到信号由激励端口传输到环形器再传输到后接的系统，在数字域中形成差波束。通过采用一分十六不等功分的功分器，使得子阵中每个贴片获得的电流符合切比雪夫分布，进而实现天线的低副瓣特性；

以下结合仿真实验，对本实用新型的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例的VSWR及工作频点频点的方向图进行仿真计算。

仿真1：对本实用新型的VSWR参数进行仿真，其结果如图6所示。

仿真2：对本实用新型的增益进行仿真，其结果如图7和图8所示

2.仿真结果分析：

参照图6，横坐标为频率，纵坐标为VSWR参数，可以看出，本实用新型实施例在5.6GHz～6.2GHz频段内的VSWR参数均小于2，实现了天线在C波段工作。

参照图7和图8，横坐标为角度，纵坐标为增益，可以看出，本实用新型实施例在5.6GHz～6.2GHz频段内副瓣优于22dB，副瓣电平的绝对值越大，其副瓣电平越低。

综合以上的分析可见，本实用新型的一种在C波段实现低副瓣和差波束的微带贴片阵列天线，实现了低副瓣的特性，为此类天线的设计提供了一种有效的设计方法。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本实用新型的技术启示可以做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，包括微带贴片天线单元阵列(1)、馈电网络(2)及和差波束功分器(3)；其特征在于，所述微带贴片天线单元阵列(1)被均匀划分为多个子阵列；所述馈电网络(2)采用不等功分功分器，其数量与子阵列的数量相同；多个馈电网络(2)的输入端分别与和差波束功分器(3)的输出端连接，每个馈电网络(2)的输出端分别与其所对应的子阵列中的微带贴片天线单元连接，且输出端的幅度满足切比雪夫电流分布。

2.根据权利要求1所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述阵列天线，其顶部的中心位置固定有校准天线(4)，用于对比各子阵列之间的相位关系。

3.根据权利要求2所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述校准天线(4)，采用单极子天线结构。

4.根据权利要求1所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述微带贴片天线单元，包括上下层叠形状为方形的第一介质基板(11)和第二介质基板(12)；所述第一介质基板(11)的上表面印制有矩形辐射贴片(13)，下表面印制有第一金属地板(14)；所述第二介质基板(12)的下表面印制有第二金属地板(15)。

5.根据权利要求4所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述矩形辐射贴片(13)，其中心位于第一介质基板(11)的中心法线上，且矩形辐射贴片(13)的两组对边分别与第一介质基板(11)的两组对边平行。

6.根据权利要求5所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述多个馈电网络(2)，印制在第三介质基板(5)的下表面。

7.根据权利要求6所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述和差波束功分器(3)，印制在第四介质基板(6)的下表面。

8.根据权利要求7所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(2)，其输出端分别通过金属化过孔与其所对应的子阵列中的微带贴片天线单元连接。

9.根据权利要求8所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(2)，其输入端的SMA接头与和差波束功分器(3)的输出端通过环形器连接。

10.根据权利要求9所述C波段低副瓣和差波束微带贴片阵列天线，其特征在于，所述第三介质基板(5)与第四介质基板(6)形成上下层叠结构，且该层叠结构位于微带贴片天线单元阵列(1)的下方。