本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫米波微帶陣列天線。

背景技術(shù)：

天線作為通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，其性能的好壞將直接影響無(wú)線電設(shè)備的性能。隨著無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，對(duì)天線性能提出了重量輕、體積小、制作簡(jiǎn)單、易共形、寬頻帶和成本低等性能要求。微帶天線正是因?yàn)闈M(mǎn)足了上述要求，從而深受人們關(guān)注，近年來(lái)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。然而，微帶天線的單元增益一般為6dBi～8dBi，因此常用由微帶貼片單元組成的微帶陣列天線來(lái)獲得更大的增益或?qū)崿F(xiàn)特定的方向性。陣列天線可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)天線所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能，具備更大的靈活性和更高的信號(hào)容量，并能顯著提高系統(tǒng)的性能。目前傳統(tǒng)的微帶天線通常采用圓形或矩形貼片開(kāi)槽等方式來(lái)提高定向性，但是增益低、損耗大及功率小的問(wèn)題仍無(wú)法得到解決。是否能夠研發(fā)出一種具備高增益、低副瓣和小型化的新型陣列天線結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)整體天線構(gòu)造的高集成性及小型化需求，為本領(lǐng)域技術(shù)人員近年來(lái)所亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的其中一個(gè)目的為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理而實(shí)用的毫米波微帶陣列天線，其兼具高增益、低副瓣和小型化的優(yōu)點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)整體天線構(gòu)造的高集成性及小型化需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種毫米波微帶陣列天線，其特征在于：本陣列天線包括介質(zhì)板以及以微帶面形式貼附于介質(zhì)板一側(cè)板面處的貼片陣列天線，介質(zhì)板的另一側(cè)板面處貼附有饋電網(wǎng)絡(luò)，介質(zhì)板為雙層板體且兩層板體間夾設(shè)金屬地；所述饋電網(wǎng)絡(luò)為具備阻抗修正功能的一分n路的T型功分電路，饋電網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)分支端口處均設(shè)置有饋電點(diǎn)，貼片陣列天線為n列且沿彼此平行間隔均布，在每列貼片陣列天線的中部對(duì)稱(chēng)點(diǎn)處設(shè)置垂直貫穿介質(zhì)板從而連接上述饋電點(diǎn)與貼片陣列天線的同軸饋電探針；每列陣列貼片單元均由兩組沿同軸饋電探針軸線軸對(duì)稱(chēng)設(shè)置的貼片單元構(gòu)成，每組貼片單元包括六片沿貼片單元布置方向依次間隔布置且按切比雪夫25dB幅度加權(quán)分布的的微帶貼片；同組貼片單元處的相鄰兩片微帶貼片之間間距等于二分之一個(gè)波長(zhǎng)，且各相鄰兩片微帶貼片之間通過(guò)三角箭形漸變線狀的阻抗匹配段連接彼此；以每組貼片單元的靠近同軸饋電探針?biāo)趥?cè)為內(nèi)側(cè)，每組貼片單元處各阻抗匹配段的三角箭頭指向方向均平行貼片單元布置方向且指向最外側(cè)微帶貼片處；在同一列貼片陣列天線上，同軸饋電探針與其中一組貼片單元上的相對(duì)最接近的微帶貼片間直連，而與另一組貼片單元上的相對(duì)最接近的微帶貼片間通過(guò)180°移相器連接彼此。

所述饋電網(wǎng)絡(luò)為一分八路的三級(jí)對(duì)稱(chēng)T型功分電路。

饋電網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)分支端口的饋電點(diǎn)所在端部外形呈與同軸饋電探針彼此同軸的圓弧狀構(gòu)造。

介質(zhì)板上的用于貼附饋電網(wǎng)絡(luò)的一側(cè)板面凹設(shè)有槽腔，從而使得饋電網(wǎng)絡(luò)與該槽腔共同圍合形成空氣背腔，所述空氣背腔的走向與饋電網(wǎng)絡(luò)處信號(hào)行進(jìn)路徑相一致。

所述介質(zhì)板外形呈長(zhǎng)方板狀且其長(zhǎng)度方向平行貼片單元布置方向，環(huán)繞介質(zhì)板一圈而設(shè)置矩形金屬圈；矩形金屬圈上垂直介質(zhì)板而設(shè)置金屬化共地孔，各金屬化共地孔沿矩形金屬圈布置方向依次間隔均布；每相鄰兩組貼片單元之間設(shè)置金屬隔離條，金屬隔離條長(zhǎng)度方向平行介質(zhì)板長(zhǎng)度方向，且金屬隔離條兩端分別連接至矩形金屬圈的兩短邊處；沿金屬隔離條長(zhǎng)度方向依次間隔均布有金屬化盲孔。

每組貼片單元的位于最外側(cè)的微帶貼片處設(shè)置金屬化短路孔。

所述同一個(gè)微帶貼片上的金屬化短路孔為三個(gè)且依序間隔均布，該金屬化短路孔的布置方向與貼片單元布置方向彼此垂直。

本陣列天線還包括環(huán)繞饋電通孔而周向等距布置的四個(gè)金屬化通孔。

所述微帶貼片為矩形貼片或U型貼片。

介質(zhì)板所用材質(zhì)為Rogers 4350板材，其介電常數(shù)為3.66，厚度為0.508mm。

所述饋電網(wǎng)絡(luò)的總端口采用SMA接頭。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)、本發(fā)明將貼片陣列天線處介質(zhì)板與饋電網(wǎng)絡(luò)處介質(zhì)板壓合在一起，從而形成雙層板夾設(shè)金屬地的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而使得具備阻抗修正功能的饋電網(wǎng)絡(luò)與采用不同幅度加權(quán)的陣列貼片天線之間產(chǎn)生了完美結(jié)合，隨之組合形成了本發(fā)明的具備高增益、低副瓣和小型化功能的微帶陣列天線構(gòu)造。以n＝8為例作以下描述：

對(duì)于饋電網(wǎng)絡(luò)而言，該饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶一分八的結(jié)構(gòu)形式，采用chebyshev25dB幅度加權(quán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且采用了相位加權(quán)的方式來(lái)展寬方位面的波束寬度。因?yàn)槲Ь€的物理寬度決定了其阻抗值，線寬較寬時(shí)阻抗低，線寬較窄時(shí)阻抗高，在工程實(shí)現(xiàn)上，阻抗值特別高的高阻抗線由于線寬太細(xì)而加工難度較大，且線寬誤差對(duì)阻抗的精度影響大；考慮這些因素，本饋電網(wǎng)絡(luò)在大功分比的地方采用采用阻抗修正的大功分比功分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而有效的保證了工程實(shí)現(xiàn)上的加工精度，也進(jìn)一步的使得天線降低了工程加工誤差對(duì)其性能指標(biāo)的影響。

對(duì)于貼片陣列天線而言，貼片陣列天線共有八列，每一列由十二個(gè)不同大小的微帶貼片和相應(yīng)的阻抗匹配段組成，并且每一列都采用taylor25dB幅度加權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)陣面方向圖的低副瓣設(shè)計(jì)，最終保證整體天線結(jié)構(gòu)的緊湊型和低損耗性。由于采用了三角箭形漸變線狀的阻抗匹配段代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四分之一阻抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這也減小了阻抗變換器的不連續(xù)性帶來(lái)的反射波的影響，進(jìn)一步提高了天線的性能。此處的三角箭形漸變線狀，也即在自身呈現(xiàn)平面的三角箭狀的同時(shí)，三角箭的兩側(cè)板面凸出形成弧面狀構(gòu)造，且該弧面狀遵循了漸變線形分布。更具體而言，本發(fā)明通過(guò)采用十二個(gè)微帶貼片排列成線陣，十二個(gè)微帶貼片的尺寸根據(jù)電流幅度分配比確定其大小，且各個(gè)微帶貼片之間的間距約為1/2個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)，從而保證各貼片單元同相饋電。每個(gè)微帶貼片之間采用三角箭形漸變線狀的阻抗匹配段可根據(jù)電流分布由饋電探針向左右兩側(cè)由強(qiáng)到弱；三角箭形的指向也由饋電兩側(cè)對(duì)稱(chēng)指向外側(cè)處。毫米波微帶陣列天線采用同軸饋電探針的方式進(jìn)行饋電，饋電點(diǎn)位于串饋陣列單元的中心位置，即饋電點(diǎn)左右各有一組貼片單元。為保證同軸饋電探針兩端電流方向的一致性，在同軸饋電探針輸出的一側(cè)加入了180°移相器，且整個(gè)毫米波微帶陣列天線除饋電點(diǎn)一側(cè)加入了180°移相器以外，左右完全對(duì)稱(chēng)，這樣可以減小它的輻射影響，從而進(jìn)一步提升兩側(cè)的各組貼片單元的輻射方向圖的一致性。

綜上，本發(fā)明兼具高增益、低副瓣和小型化的優(yōu)點(diǎn)，不僅有效實(shí)現(xiàn)整體天線構(gòu)造的高集成性及小型化需求；同時(shí)也可使貼片陣列天線和饋電網(wǎng)絡(luò)彼此完美結(jié)合，并使其在工作頻段內(nèi)輸入阻抗接近于50Ω，從而接近于匹配狀態(tài)，最終使天線在工作頻段內(nèi)匹配良好而VSWR較低，可普遍適用于毫米波雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。

2)、饋電網(wǎng)絡(luò)的能量總端口處設(shè)SMA接頭，八個(gè)分支端口的微帶邊緣則設(shè)計(jì)為圓弧狀，目的是為了更好的通過(guò)垂直的同軸饋電探針與貼片陣列天線做好匹配。饋電網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的介質(zhì)板處設(shè)置的空氣背腔，能有效地抑制空腔諧振帶來(lái)的高次模和能量損失，使得饋電網(wǎng)絡(luò)各端口之間的互耦影響較小，并有效保證端口的幅度和相位性能。

3)、介質(zhì)板外周設(shè)置的一圈矩形金屬圈且在其上布置金屬化共地孔，且八列貼片陣列天線每一列中間都有一條帶有金屬化盲孔的金屬隔離條，可有效減小了八列貼片陣列天線之間的互相耦合。同軸饋電探針周?chē)兴膫€(gè)金屬化通孔，可有效的加強(qiáng)同軸饋電探針的共地效果。同時(shí)，各組貼片單元的最外側(cè)的微帶貼片上各有三個(gè)金屬化短路孔，可使天線的阻抗匹配更好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的背面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的側(cè)視圖；

圖4是饋電網(wǎng)絡(luò)在阻抗修正狀態(tài)下的大功分比功分電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是測(cè)試件的電壓駐波比測(cè)試圖；

圖6是測(cè)試件的方位面及俯仰面增益測(cè)試圖。

附圖中各標(biāo)號(hào)與本發(fā)明的各部件名稱(chēng)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

10-介質(zhì)板 11-金屬地 12-空氣背腔

20-饋電網(wǎng)絡(luò) 21-饋電點(diǎn) 30-同軸饋電探針

40-貼片陣列天線

41-微帶貼片 42-阻抗匹配段 43-180°移相器

44-矩形金屬圈 44a-金屬化共地孔

45-金屬隔離條 45a-金屬化盲孔

46-金屬化短路孔 47-金屬化通孔

具體實(shí)施方式

為便于理解，此處以3D交通管理雷達(dá)系統(tǒng)的微帶陣列發(fā)射天線為例，由于饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶一分n的結(jié)構(gòu)形式，因此n必然為大于1的正整數(shù)；此處以n＝8來(lái)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)及工作流程作以下描述：

本天線由中間夾有金屬地11的雙層的介質(zhì)板10、布置于介質(zhì)板10一側(cè)面處的貼片陣列天線40以及布置于介質(zhì)板10另一側(cè)面處的饋電網(wǎng)絡(luò)20組成。圖3中可以看出雙層的介質(zhì)板10相對(duì)貼片陣列天線及饋電網(wǎng)絡(luò)20的具體布置位置：兩層的介質(zhì)板10采用壓合工藝粘合在一起，中間夾設(shè)一層金屬地11，介質(zhì)板10一面布置貼片陣列天線40而另外一面為一分八路的饋電網(wǎng)絡(luò)20。其中：

一)、貼片陣列天線部分：其為八列且沿彼此平行間隔均布，具體布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。每列貼片陣列天線40均包括十二片不同大小的微帶貼片41、十組阻抗匹配段42、一組180°移相器43以及一根同軸饋電探針30。微帶貼片41以六片為一組貼片單元且兩組貼片單元沿同軸饋電探針30的軸線軸對(duì)稱(chēng)分布。每組貼片單元處微帶貼片41之間則通過(guò)不同尺寸的串饋匹配端也即阻抗匹配段42進(jìn)行連接。在同軸饋電探針30的一側(cè)處加入180°移相器43從而連接其中一組貼片單元處的相鄰微帶貼片41，進(jìn)而確保整個(gè)微帶陣列的饋電電流方向一致性。各列貼片陣列天線40之間設(shè)置金屬隔離條45，整個(gè)貼片陣列天線40則環(huán)繞布置矩形金屬圈44，金屬化共地孔44a和金屬化盲孔45a保證天線的共地。貼片陣列天線40通過(guò)同軸饋電探針30與饋電網(wǎng)絡(luò)20處相應(yīng)的饋電點(diǎn)21相連接。

二)、饋電網(wǎng)絡(luò)部分：如圖2所示，其為一分八路且對(duì)稱(chēng)構(gòu)造的三級(jí)T型功分網(wǎng)絡(luò)?？傒斎攵薙0的接口形式為SMA接頭，射頻信號(hào)通過(guò)該總輸入端S0按照不同的幅度分配給八個(gè)分支端口S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，然后再通過(guò)同軸饋電探針30將信號(hào)傳輸給相應(yīng)列的貼片陣列天線40，最終通過(guò)貼片陣列天線40將射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去。

一分八路的饋電網(wǎng)絡(luò)20的八個(gè)分支端口S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的幅度分布和展寬相位如表1所示，該饋電網(wǎng)絡(luò)20使天線在方位面上實(shí)現(xiàn)了寬波束、低副瓣的性能指標(biāo)。

表1

微帶貼片41可以看作一個(gè)場(chǎng)量在橫向沒(méi)有變化的傳輸線諧振器，場(chǎng)僅延微帶貼片41長(zhǎng)度方向變化。在如圖1所示的選用矩形微帶貼片41時(shí)，微帶貼片41長(zhǎng)度L通常為半波長(zhǎng)，輻射主要有間距L的兩個(gè)開(kāi)路端縫隙場(chǎng)產(chǎn)生。

如圖4所示即為饋電網(wǎng)絡(luò)20的其中一個(gè)分支的結(jié)構(gòu)圖。饋電網(wǎng)絡(luò)20在幅度加權(quán)分布中出現(xiàn)大功分比的地方采用如圖4所示的阻抗修正的大功分比功分電路。在使用至本實(shí)施例中時(shí)，各阻抗修正段的阻抗值為：

Z₀＝100Ω，Z₀₁＝55.4Ω，Z₀₂＝40Ω，Z₀₃＝134.5Ω，Z₀₄＝56.4Ω，Z₀₅＝97.3Ω，Z′₀＝70.7Ω。

通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x取的阻值，可以避免出現(xiàn)高阻抗值的出現(xiàn)，在上述大功分比功分電路中，阻抗值最大為134.5Ω，所對(duì)應(yīng)的微帶線寬即為0.1mm，可以滿(mǎn)足工程的加工要求。

本發(fā)明的效果可以通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)一步說(shuō)明。

為表明工作性能，此處可采用以上結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)制作測(cè)試件，進(jìn)行以下測(cè)試操作：

測(cè)試環(huán)境：微波調(diào)試室；

測(cè)試設(shè)備：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，轉(zhuǎn)臺(tái)，天線測(cè)試系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)喇叭，計(jì)算機(jī)等。

對(duì)測(cè)試件的總輸入口S0的電壓駐波比進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示：從圖5中可以看出在24～24.3GHz頻段范圍內(nèi)，該測(cè)試件的駐波＜1.45，實(shí)現(xiàn)了較好的阻抗匹配特性。

對(duì)測(cè)試件在其工作頻段24～24.3GHz內(nèi)的方位面和俯仰面增益進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示：從圖6可以看出，天線最大增益為22dB左右，在方位面的12dB波束水平覆蓋角度大于36°，俯仰面3dB波瓣寬度為±4°，兩個(gè)方位面上的副瓣均小于22dB，滿(mǎn)足天線設(shè)計(jì)要求。