專利名稱：一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，在設(shè)計(jì)時(shí)，將一維串行饋電平面陣列天線波束的副瓣通過饋電的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)左右對稱。
背景技術(shù)：
目前，微帶陣列天線已經(jīng)在雷達(dá)、遙感、通訊等方面應(yīng)用廣泛。單層微帶天線以其重量輕，厚度小，易共型等特點(diǎn)得到重視，但是與通常的微波天線相比，微帶天線一般頻帶窄，有損耗，因而增益不高。當(dāng)頻率一定時(shí)，厚基片的帶寬較寬、增益較高，介電常數(shù)越小的基片帶寬較寬增益較高。由于微帶天線帶寬的典型值為百分之幾的量級，所以，帶寬受限制是微帶天線的缺點(diǎn)之一。對于理想的平面陣列天線而言，不同的饋電方式直接影響天線不同方向圖形狀。根據(jù)方向圖綜合理論，幅度對稱的等相位饋電方式所得到的天線遠(yuǎn)場方向圖也是對稱的。但在微帶陣列天線的實(shí)際應(yīng)用中，通常是饋電網(wǎng)絡(luò)與陣元均處于同一側(cè)。由于微帶線本身在射頻頻段將會產(chǎn)生一定的輻射，其饋線的輻射場和輻射單元的輻射場相互疊加產(chǎn)生的互耦，不僅會影響天線的交叉極化和隔離度，而且影響主瓣的增益，同時(shí)天線遠(yuǎn)場方向圖的副瓣也會不規(guī)則排布。特別是當(dāng)天線陣元數(shù)較少、波束較寬時(shí)，微帶貼片天線所形成的方向圖主波束會變形惡化，因而不能滿足某些要求方向圖對稱分布的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)于陣列天線饋電的問題，前人已經(jīng)做了大量的工作。一般的饋電網(wǎng)絡(luò)都是在輻射片周圍布線，這樣避免不了饋線和輻射單元的互耦問題。加入匹配屏蔽線的方法可以使單微帶線輻射功率明顯小于未加屏蔽線時(shí)的功率，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往由于微帶陣列輻射單元間距的限制而使得這種方法很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有微帶陣列天線帶寬受限制及饋電方式技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種波束對稱多層微帶平板陣列天線，該天線損耗小、結(jié)構(gòu)簡單、加工簡單。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是波束對稱的多層微帶平板陣列天線設(shè)計(jì)為三層，由輻射層、饋電層和反射板組成，在輻射層的內(nèi)表面上對稱分布輻射貼片，輻射貼片陣列為3X6共18個(gè)單元；所述饋電層位于輻射層和反射板之間，每層間距為四分之一波長，饋電層面向輻射層的一面為接地面，面向反射板的一面為微帶饋線面，在接地面上開設(shè)3 X 6共18個(gè)H形的耦合縫隙，在饋線面布置微帶饋線，微帶饋線網(wǎng)絡(luò)由饋電點(diǎn)，第一級功分器，兩個(gè)第二級功分器，串行饋電匹配線路以及傳輸線組成，饋電點(diǎn)用于焊接半柔電纜，能量經(jīng)過第一級功分器分配給兩個(gè)第二級功分器并使兩個(gè)第二級功分器相位相反，最后經(jīng)過串行阻抗匹配線路將能量分配給各個(gè)輻射單元，所述反射板為金屬板，構(gòu)成天線殼體的內(nèi)表面，所述輻射層同時(shí)具備天線罩的功能，整個(gè)天線除一連接器以外全處于一個(gè)密閉的殼體之中。本發(fā)明的饋電層設(shè)計(jì)采用對稱形式，減小饋電傳輸線對陣列方向圖的影響，構(gòu)成對稱的波束方向圖，在接地面上附著的輻射縫隙的幾何中心與輻射層上附著的輻射貼片的重心重合；使饋線層中的微帶饋線能量通過耦合縫隙耦合到輻射貼片進(jìn)而輻射出去，消除了饋線自身輻射與輻射單元之間的耦合影響。在微帶饋線面方位維饋線的饋電方式為串行饋電，通過調(diào)節(jié)每一節(jié)的1/4阻抗匹配線的尺寸實(shí)現(xiàn)幅度的分布，其中靠近上邊緣和下邊緣的兩排方位維和俯仰維中心饋線以軸對稱分布，這兩排饋線饋電方向相反，中間一排饋線左右兩邊的饋電方向相反，在俯仰維，通過兩個(gè)第二級調(diào)節(jié)功分器、實(shí)現(xiàn)幅度分布，功分器通過不等長非對稱雙端口網(wǎng)絡(luò)與兩個(gè)第二級功分器級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)第二級功分器之間相位相差180°，從而補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對稱分布的饋線所產(chǎn)生的相位差。由于饋線層中的微帶饋線的能量是通過耦合縫隙耦合到輻射貼片進(jìn)而輻射出去，微帶饋線本身的輻射場并不影響輻射貼片，而且微帶饋線本身也是對稱排布的，因此這種結(jié)構(gòu)就消除了饋線自身輻射與輻射單元之間的耦合影響，從而方向圖也是對稱的。由上述技術(shù)方案構(gòu)成的本發(fā)明波束對稱的多層微帶平板陣列天線與現(xiàn)有技術(shù)對比，具有的有益效果在于現(xiàn)有技術(shù)通常將輻射貼片和饋線置于同一平面且饋線排布為非對稱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的天線實(shí)測方向圖往往對稱性不好，增益也由于輻射貼片和饋線互耦影響而降低。本發(fā)明通過獨(dú)特的饋電設(shè)計(jì)，可減小輻射貼片與饋線間的互耦，實(shí)現(xiàn)波束良好的對稱。


圖1是輻射層輻射單元分布2是饋電層接地面耦合縫隙3是饋電層微帶饋線分布4是輻射層饋電層和反射板裝配組合示意5是俯仰維實(shí)測方向6是方位維實(shí)測方向圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行清楚、詳細(xì)的說明。圖1是輻射層11的輻射單元分布圖。圖1中輻射貼片1按照方向圖綜合理論的計(jì)算結(jié)果排列在輻射層的內(nèi)表面，呈對稱分布。輻射貼片陣列為3X6共18個(gè)單元。螺釘孔2分布在輻射層邊緣。圖2是饋電層15接地面耦合縫隙圖。該層印制于中間饋電層的一面，饋電層15的接地面14位于輻射層的下方處。其中耦合縫隙6形狀為“H”形，耦合縫隙陣列為3X6共18個(gè)，每個(gè)縫隙6的中心和輻射貼片1的重心重合。箭頭3指示的是天線的極化方向。過孔4和過孔5為電纜的焊接預(yù)留。圖中3指向方向?yàn)樘炀€俯仰維，與之在同一平面垂直為方位維。圖3是饋電層微帶饋線分布圖。饋電層的微帶饋線由饋電點(diǎn)7，第一級功分器8，第二級功分器9、10，串行阻抗匹配線路12以及傳輸線13組成。饋電點(diǎn)7焊接直徑2. 2mm的半柔電纜，能量經(jīng)過第一級功分器8分配給第二級功分器9和10并使9和10相位相反，最后經(jīng)過串行阻抗匹配線路12將能量分配給各個(gè)輻射單元。
圖3中編號3指向方向?yàn)樘炀€俯仰維，與之在同一平面垂直為方位維。微帶饋線在方位維的饋電方式為串行饋電，通過調(diào)節(jié)每一節(jié)的1/4串行阻抗匹配線12的尺寸實(shí)現(xiàn)幅度的分布，其中靠近上邊緣和下邊緣的兩排方位維和俯仰維中心饋線以軸對稱分布，這兩排饋線饋電方向相反，中間一排饋線左右兩邊的饋電方向相反，在俯仰維，通過調(diào)節(jié)功分器8、9與10實(shí)現(xiàn)幅度分布，功分器8通過不等長非對稱雙端口網(wǎng)絡(luò)與功分器9，10級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功分器9與10相位相差180°，從而補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對稱分布的饋線所產(chǎn)生的相位差。圖4是輻射層、饋電層和反射板裝配組合示意圖。圖中所示，天線分結(jié)構(gòu)為三層，分別是輻射層11、饋電層15和反射板17。饋電層15位于輻射層11和反射板17之間，每層間距為四分之一波長。輻射層11的材料選擇為Imm厚介電常數(shù)4. 3的環(huán)氧玻璃布板(單面覆銅厚度0.035mm)，饋電層15材料選用Imm厚介電常數(shù)2. 65的聚四氟乙烯(兩面覆銅均厚0. 035mm)，反射板17為光滑無毛刺金屬板。輻射貼片1裝貼于輻射層11的內(nèi)表面。輻射層11同時(shí)還具備天線罩的功能。接地面14和饋線面16分別位于饋電層15的上下兩面。反射面17是天線殼體的內(nèi)表面，支撐柱19支撐饋電層15。SMA連接器18固定在反射層17外表面，與之相連的半柔電纜20穿過過孔4繞至過孔5 (在空間中避開輻射單元)，并將電纜內(nèi)芯焊接至焊點(diǎn)7處。整個(gè)天線除連接器18以外均處于一個(gè)密閉的殼體之中。根據(jù)方向圖綜合理論，考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，波束寬度為方位維15°和俯仰維30°的輻射波束可以通過6X3的微帶陣列實(shí)現(xiàn)，單元間距為48mmX 50mm。根據(jù)微帶片輻射理論，經(jīng)過計(jì)算采用厚度為Imm介電常數(shù)為4. 3的環(huán)氧玻璃布板為基片的輻射貼片的尺寸為26. 4mmX 24mm。采用厚度為Imm介電常數(shù)為2. 65的聚四氟乙烯為基片的50歐姆串行阻抗匹配線的寬度為2. 75mm。經(jīng)過實(shí)測方向圖在頻帶內(nèi)呈對稱分布，其中圖5所示為某一頻點(diǎn)的俯仰維方向圖。圖6所示為某一頻點(diǎn)的方位維方向圖。俯仰波束和方位波束分別對稱于天線陣面法線，波束寬度、實(shí)測增益滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述本發(fā)明提供了一種波束對稱天線實(shí)施方式，針對此方法給出了具體實(shí)施辦法并附圖進(jìn)行了說明。通過具體的仿真實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)樣件實(shí)測也驗(yàn)證了這種獨(dú)特的饋電設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。
權(quán)利要求
1.一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，其特征在于該天線結(jié)構(gòu)為三層，由輻射層(11)、饋電層(1 和反射板(17)組成，在輻射層的內(nèi)表面上對稱分布輻射貼片(1)，輻射貼片陣列為3*6共18個(gè)單元；所述饋電層(1 位于輻射層(11)和反射板(17)之間，每層間距為四分之一波長，饋電層面向輻射層的一面為接地面(14)，面向反射板(17)的一面為微帶饋線面(16)，在接地面(14)上開設(shè)3*6共18個(gè)H形的耦合縫隙(6)，在饋線面(16)布置微帶饋線，微帶饋線網(wǎng)絡(luò)由饋電點(diǎn)(7)，第一級功分器(8)，第二級功分器(9，10)，串行阻抗匹配線路(12)以及傳輸線(13)組成，饋電點(diǎn)(7)焊接半柔電纜(20)，能量經(jīng)過第一級功分器⑶分配給第二級功分器(9，10)并使(9)與(10)相位相反，最后經(jīng)過串行阻抗匹配線路(13)將能量分配給各個(gè)輻射單元，所述反射板(17)為金屬板，構(gòu)成天線殼體的內(nèi)表面，所述輻射層(11)同時(shí)具備天線罩的功能，整個(gè)天線除一連接器以外全處于一個(gè)密閉的殼體之中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，其特征在于饋電層設(shè)計(jì)采用對稱形式，減小饋電傳輸線對陣列方向圖的影響，構(gòu)成對稱的波束方向圖，在接地面(14)上附著的輻射縫隙(6)的幾何中心與輻射層上附著的輻射貼片(1)的重心重合；使饋線層中的微帶饋線能量通過耦合縫隙耦合到輻射貼片進(jìn)而輻射出去，消除了饋線自身輻射與輻射單元之間的耦合影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，其特征在于在微帶饋線面(16)方位維饋線的饋電方式為串行饋電，通過調(diào)節(jié)每一節(jié)的1/4阻抗匹配線(11)的尺寸實(shí)現(xiàn)幅度的分布，其中靠近上邊緣和下邊緣的兩排方位維和俯仰維中心饋線以軸對稱分布，這兩排饋線饋電方向相反，中間一排饋線左右兩邊的饋電方向相反，在俯仰維，通過調(diào)節(jié)功分器(8)、(9)與(10)實(shí)現(xiàn)幅度分布，功分器(8)通過不等長非對稱雙端口網(wǎng)絡(luò)與功分器(9，10)級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功分器(9)與(10)相位相差180°，從而補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對稱分布的饋線所產(chǎn)生的相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，其特征在于在微帶饋線面(16)上，通過6X3個(gè)微帶陣列實(shí)現(xiàn)波束寬度為方位維15°和俯仰維30°的輻射波束，每個(gè)微帶線陣單元間距為48mmX50mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，其特征在于所述輻射層(11)材料選擇為Imm厚、介電常數(shù)4. 3的單面覆銅環(huán)氧玻璃布板，饋電層(1 材料選用Imm厚、介電常數(shù)2. 65的兩面覆銅聚四氟乙烯，輻射貼片(1)的材料為0. 035mm厚附銅，尺寸為26. 4mmX 24mm，微帶饋線面(16)上的阻抗匹配線(13)的材料為0. 035mm厚附銅，其寬度為2. 75mm。
全文摘要
一種波束對稱的多層微帶平板陣列天線，由輻射層、饋電層和反射板組成，在輻射層的內(nèi)表面上對稱分布輻射貼片，輻射貼片陣列為3×6共18個(gè)單元；所述饋電層位于輻射層和反射板之間，每層間距為四分之一波長，在饋電層面的接地面開設(shè)3×6共18個(gè)H形耦合縫隙，在饋線面布置微帶饋線，在微帶饋線網(wǎng)絡(luò)上，能量經(jīng)過第一級功分器分配給第二級功分器并使與相位相反，最后經(jīng)過串行阻抗匹配線路將能量分配給各個(gè)輻射單元，所述反射板為金屬板，構(gòu)成天線殼體的內(nèi)表面，所述輻射層同時(shí)具備天線罩的功能，整個(gè)天線除一連接器以外全處于一個(gè)密閉的殼體之中。
文檔編號H01Q21/00GK102394359SQ201110165730
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者宗耀, 張軍, 湯暢, 董亮 申請人:中國兵器工業(yè)第二○六研究所