CN112164899B - 一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,该微带阵列天线包括八个天线辐射单元、一分八的馈电网络、微波介质基板和地板。所述八个天线辐射单元尺寸相同并呈线性排列,间距相等。第一天线辐射单元到第四天线辐射单元中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°,第五天线辐射单元到第八天线辐射单元与第一天线辐射单元到第四天线辐射单元关于第四天线辐射单元和第五天线辐射单元的中心旋转对称。天线阵列采用顺序旋转馈电,馈电网络设计紧凑,充分利用阵元间的空间进行设计,相邻辐射单元馈电端口相位相差90°。所设计天线具有低剖面、高增益,宽轴比且易组面阵的优点,在毫米波雷达、通信等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于毫米波雷达***的圆极化阵列天线,尤其涉及一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线。
背景技术
毫米波雷达工作在毫米波频段,在过去几年发展迅速,一批毫米波雷达创业公司兴起,天线作为毫米波雷达的关键器件,对毫米波雷达的性能起着决定性的作用。毫米波雷达由于空间、成本等因素,多采用微带贴片作为天线辐射单元。目前市面上已有的毫米波雷达的天线基本为线极化微带天线。
圆极化天线相对线极化天线而言,由于其可接受任意极化的电磁波或可被任意极化的天线所接收,因此能够有效抑制雨雾的干扰和抗多径反射。
常规的单馈圆极化微带阵列天线轴比都较窄,多馈的圆极化微带阵列天线馈电网络设计非常复杂,不利于馈电网络的紧凑设计。现有的一些展宽轴比带宽的方法,如口径耦合,将天线与馈电网络设计在不同层,增加了天线的剖面厚度;而采用顺序旋转方法的主要基于2 ×2的天线的单元进行设计,难以满足毫米波雷达中天线多样式布局,且在组面阵中自由度较低。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,以解决现有的毫米波线阵圆极化微带阵列天线轴比较窄的问题。
为了达到上述目的,本发明实施例所采用的技术方案如下:一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,包括:上层的八个天线辐射单元和用于为八个天线辐射单元进行馈电的一分八的微带馈电网络、中间层的微波介质基板和底层的金属地板;
所述八个天线辐射单元呈线性排列,相邻天线单元间距相等,第一天线辐射单元到第四天线辐射单元中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°,第五天线辐射单元到第八天线辐射单元中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°;
第五天线辐射单元到第八天线辐射单元与第一天线辐射单元到第四天线辐射单元关于第四天线辐射单元和第五天线辐射单元的中心点呈中心对称;
第一天线辐射单元到第四天线辐射单元上的馈电网络与第五天线辐射单元到第八天线辐射单元上的馈电网络也关于第四天线辐射单元和第五天线辐射单元的中心点呈中心对称;
所述第一天线辐射单元到第四天线辐射单元相邻馈电端口相位依次相差90度,其中第四天线辐射单元和第五天线辐射单元间有一个相位转换器,其引入的相位差为180°。
进一步地,所述的一分八的微带馈电网络的八个输出端口的激励相位不同,各个端口的激励幅度值对称分布,中间输出端口激励幅度最高,边缘输出端口激励幅度最低。
进一步地,所述的一分八的微带馈电网络包括第一一分四的微带馈电网络、第二一分四的微带馈电网络、T形等分功分器和微带馈电输入线路,所述第一一分四的微带馈电网络和第二一分四的微带馈电网络呈中心对称分布;
所述微带馈电输入线路包括依次相连的输入端口、第一个枝节和第二个枝节,所述馈电由输入端口馈入,所述第一个枝节为50欧姆的微带线,所述第二个枝节为馈线走线,不影响阻抗变化,长度为十个介质波长,第二个枝节连接T形等分功分器的输入端口;
所述第一一分四的微带馈电网络包括第一T形不等分功分器、第二T形不等分功分器和第三T形不等分功分器,其中
第一T形不等分功分器的输入端口与T形等分功分器的第一输出端口相连,第一T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第四天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为一个介质波长的微带馈线与第二T形不等分功分器的输入端口相连;
第二T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第三天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为两个介质波长的微带馈线与第三T形不等分功分器的输入端口相连;
第三T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第二天线辐射单元馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线和三个依次相连的四分之一阻抗变换器后为第一天线辐射单元馈电;
所述第二一分四的微带馈电网络包括第四T形不等分功分器、第五T形不等分功分器和第六T形不等分功分器,其中
第四T形不等分功分器的输入端口与T形等分功分器的第二输出端口相连,第四T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第五天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为一个介质波长的微带馈线与第五T形不等分功分器的输入端口相连;
第五T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第六天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为两个介质波长的微带馈线与第六T形不等分功分器的输入端口相连;
第六T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第七天线辐射单元馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线和三个依次相连的四分之一阻抗变换器后为第八天线辐射单元馈电。
根据以上技术方案,与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
本发明中八个天线辐射单元线性排列,并由一分八的微带馈电网络为各个天线辐射单元进行顺序旋转馈电,各个天线辐射单元的相位不全相同,提高了天线的圆极化纯度,改善了天线的轴比带宽;
本发明中,通过控制一分八的微带馈电网络中八个输出端口上的激励幅度来实现八个天线辐射单元上的激励幅度满足道尔夫-切比雪夫综合得出的比值分布,有效的降低了天线的副瓣,改善天线的辐射性能;
本发明中采用八个天线辐射单元线性排列,天线的辐射增益较高,且由于一分八的微带馈电网络设计紧凑,天线与馈电网络在同一个平面,使天线具有低剖面的优点且便于使用多个线性阵列天线来进行面阵的设计,从而进一步提高天线的增益。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线俯视结构图;
图2为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线侧视结构图;
图3为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线的功分馈电网络结构图;
图4为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线回波损耗图;
图5为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线中心频点的轴比图;
图6为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线轴比随频率变化图;
图7为本发明实施例提供的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例附图,对本发明中的技术方案作进一步说明。基于本发明中的实施例,对于本领域的普通技术人员来说,在不需要创造性劳动的前提下所获得的其他实施例均属于本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示,本实施例提供一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,为单层双面板,包括:上层的八个天线辐射单元和用于为八个天线辐射单元进行馈电的一分八的微带馈电网络A、中间层微波介质基板B和底层的金属地板C;
其中所述八个天线辐射单元呈线性排列,相邻天线单元间距相等,第一天线辐射单元1 到第四天线辐射单元4中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°,第五天线辐射单元5到第八天线辐射单元8中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°;第五天线辐射单元5到第八天线辐射单元8与第一天线辐射单元1到第四天线辐射单元4关于第四天线辐射单元4和第五天线辐射单元5的中心点O呈中心对称;第一天线辐射单元1到第四天线辐射单元4上的馈电网络9与第五天线辐射单元5到第八天线辐射单元8上的馈电网络10也关于第四天线辐射单元4和第五天线辐射单元5的中心点O呈中心对称;所述第一天线辐射单元1到第四天线辐射单元4相邻馈电端口相位依次相差90度,其中第四天线辐射单元和第五天线辐射单元间有一个相位转换器13,其引入的相位差为180°。
本发明基于顺序旋转的馈电方式来激励正交的极化场,通过一分八不等幅不等相的功分器为八个天线辐射单元馈电,有效的改善天线的轴比带宽和天线的辐射性能。
在本申请一实施例中,所述的一分八的微带馈电网络的八个输出端口的激励相位不同,各个端口的激励幅度值对称分布,中间输出端口激励幅度最高,边缘输出端口激励幅度最低,这种激励电流分布采用的是切比雪夫综合,能够有效的降低天线方向图的副瓣。
在本申请一实施例中,所述的一分八的微带馈电网络包括第一一分四的微带馈电网络、第二一分四的微带馈电网络、T形等分功分器T0和微带馈电输入线路,所述第一一分四的微带馈电网络和第二一分四的微带馈电网络呈中心对称分布;
所述微带馈电输入线路包括依次相连的输入端口P0、第一个枝节01和第二个枝节02,所述馈电由输入端口P0馈入,所述第一个枝节01为50欧姆的微带线,所述第二个枝节02为馈线走线,不影响阻抗变化,长度为十个介质波长,第二个枝节02连接T形等分功分器T0的输入端口;
所述第一一分四的微带馈电网络包括第一T形不等分功分器T1、第二T形不等分功分器T2 和第三T形不等分功分器T3,其中第一T形不等分功分器T1的输入端口与T形等分功分器T0的第一输出端口相连,第一T形不等分功分器T1的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器 (42,41)后为第四天线辐射单元4馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器04 和一段长为一个介质波长的微带馈线05与第二T形不等分功分器T2的输入端口相连;第二T形不等分功分器T2的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器(32,31)后为第三天线辐射单元4馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器06和一段长为两个介质波长的微带馈线07与第三T形不等分功分器T3的输入端口相连;第三T形不等分功分器T3的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器(22,21)后为第二天线辐射单元2馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线08和三个依次相连的四分之一阻抗变换器(13,12,11)后为第一天线辐射单元1馈电;所述的第一T形不等分功分器T1第一输端口和第二输出端口的功分比为1:2.1;所述的第二T形不等分功分器T2第一输端口和第二输出端口的功分比为1:1.41;所述的第三T形不等分功分器T3第一输端口和第二输出端口的功分比为1:0.86;
所述第二一分四的微带馈电网络包括第四T形不等分功分器T4、第五T形不等分功分器T5 和第六T形不等分功分器T6,其中第四T形不等分功分器T4的输入端口与T形等分功分器T0的第二输出端口相连,第四T形不等分功分器T4的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第五天线辐射单元5馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为一个介质波长的微带馈线与第五T形不等分功分器T5的输入端口相连;第五T形不等分功分器T5 的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第六天线辐射单元6馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为两个介质波长的微带馈线与第六T形不等分功分器T6的输入端口相连;第六T形不等分功分器T6的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第七天线辐射单元7馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线和三个依次相连的四分之一阻抗变换器后为第八天线辐射单元8馈电。所述的第四T形不等分功分器T4 第一输端口和第二输出端口的功分比为1:2.1;所述的第五T形不等分功分器T5第一输端口和第二输出端口的功分比为1:1.41;所述的第六T形不等分功分器T6第一输端口和第二输出端口的功分比为1:0.86;
通过这种设计使天线各个辐射单元上的相位和激励电流不全相同且满足切比雪夫综合的分布,从而改善整个阵列天线的方向图。
在本申请一实施例中,所述一分八的馈电网络中的微带馈线所有的弯折处均为90°拐角,弯折点两侧的微带线宽度相同,弯折点处进行切角处理,切角为等腰直角三角形,所述等腰直角三角形腰长等于弯折点两侧的微带线宽度。采用这种方式,可以减少阻抗调节的参数并可减少由于微带线不连续而产生的反射。
在本申请一实施例中,所述天线辐射单元和馈电网络表面覆盖的金属为以下六种之一或者它们之间任意两种或者两种以上的组合:(1)铜、(2)铝、(3)银、(4)金、(5)铂、(6)铅。这些金属具有良好的导电性能有效的减少导体内的损耗,从而提高天线的辐射性能。
在本申请一实施例中,所述天线辐射单元和馈电网络表面覆盖的金属厚度为0.001毫米到 1毫米之间。天线工作在毫米波频段,金属表面的粗糙度在频率较高时和趋肤深度可比拟,因此毫米波加工中覆盖金属的厚度及其粗糙度均需要考虑,以尽量较少对天线性能的影响。
在本申请一实施例中,所述的微波介质基板为以下二十三种板材之一:(1)Rogers3003、 (2)Rogers 4350B、(3)Rogers 4450、(4)Rogers 3203、(5)Rogers 4835、(6)Rogers 4003C、 (7)Rogers 3035、(8)RT/Duroid 5870、(9)RT/Duroid 5880、(10)RT/Duriod 6002、(11) RT/Duriod 6202、(12)(13)(14)(15) (16)Taconic TLX-8、(17)Taconic RF35、(18)Taconic TLY-5、(19)CLTE-AT、(20)SCGA-500 GF220、(21)SCGA-500GF255、(22)SCGA-500GF265、(23)SCGA-500GF300。本实施例所述中间层微波介质基板B采用Rogers3003,介电常数为3.0(本实施例工作在W频段,介电常数为3.16),介电损耗为0.0013,厚度为0.127mm。
在本申请一实施例中,所述八个天线辐射单元为方形贴片,尺寸为0.99mm×0.99mm,单元的对角进行切角来引入几何微扰产生简并模从而实现圆极化,可通过切角尺寸来调节天线的轴比。天线辐射单元的间距相同,且满足阵列单元的间距要求,间距小了馈电网络难以设计,间距大了易出现栅瓣且天线性能下降。底层为金属底板,使的天线与金属底板之间能激励起射频电磁场。本实施例中,天线单元的间距为0.73λ,λ为实施例的中心频点所对应的自由空间波长。图4、图5、图6和图7为本申请一实施例的天线电性能仿真曲线。其中,图4 为天线的回波损耗曲线,驻波带宽大于4GHz;图5为中心频点的轴比曲线,±30°范围内轴比均小于3dB;图6为轴比随频率变化曲线,轴比小于4的轴比带宽大于6GHz;图7为天线的方向图,增益大于14dB。
以上对本发明的具体实施例进行了描述,需要指出的是,本发明并不限于上述特定的实施方式。本领域的技术人员可以在权利要求的范围内做出各种修改和变化,仍然在本发明的保护范围内。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意组合。
Claims (5)
1.一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,其特征在于,包括:上层的八个天线辐射单元和用于为八个天线辐射单元进行馈电的一分八的微带馈电网络、中间层的微波介质基板和底层的金属地板;
所述八个天线辐射单元呈线性排列,相邻天线单元间距相等,第一天线辐射单元到第四天线辐射单元中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°,第五天线辐射单元到第八天线辐射单元中后一单元为前一单元按顺时针旋转90°;
第五天线辐射单元到第八天线辐射单元与第一天线辐射单元到第四天线辐射单元关于第四天线辐射单元和第五天线辐射单元的中心点呈中心对称;
第一天线辐射单元到第四天线辐射单元上的馈电网络与第五天线辐射单元到第八天线辐射单元上的馈电网络也关于第四天线辐射单元和第五天线辐射单元的中心点呈中心对称;
所述第一天线辐射单元到第四天线辐射单元相邻馈电端口相位依次相差90度,其中第四天线辐射单元和第五天线辐射单元间有一个相位转换器,其引入的相位差为180°;
其中,所述的一分八的微带馈电网络的八个输出端口的激励相位不同,各个端口的激励幅度值对称分布,中间输出端口激励幅度最高,边缘输出端口激励幅度最低;
其中,所述的一分八的微带馈电网络包括第一一分四的微带馈电网络、第二一分四的微带馈电网络、T形等分功分器和微带馈电输入线路,所述第一一分四的微带馈电网络和第二一分四的微带馈电网络呈中心对称分布;
所述微带馈电输入线路包括依次相连的输入端口、第一个枝节和第二个枝节,所述馈电由输入端口馈入,所述第一个枝节为50欧姆的微带线,所述第二个枝节为馈线走线,不影响阻抗变化,长度为十个介质波长,第二个枝节连接T形等分功分器的输入端口;
所述第一一分四的微带馈电网络包括第一T形不等分功分器、第二T形不等分功分器和第三T形不等分功分器,其中
第一T形不等分功分器的输入端口与T形等分功分器的第一输出端口相连,第一T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第四天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为一个介质波长的微带馈线与第二T形不等分功分器的输入端口相连;
第二T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第三天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为两个介质波长的微带馈线与第三T形不等分功分器的输入端口相连;
第三T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第二天线辐射单元馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线和三个依次相连的四分之一阻抗变换器后为第一天线辐射单元馈电;
所述第二一分四的微带馈电网络包括第四T形不等分功分器、第五T形不等分功分器和第六T形不等分功分器,其中
第四T形不等分功分器的输入端口与T形等分功分器的第二输出端口相连,第四T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第五天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为一个介质波长的微带馈线与第五T形不等分功分器的输入端口相连;
第五T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第六天线辐射单元馈电,第二输出端口依次经过一段四分之一阻抗变换器和一段长为两个介质波长的微带馈线与第六T形不等分功分器的输入端口相连;
第六T形不等分功分器的第一输出端经过两个相连的四分之一阻抗变换器后为第七天线辐射单元馈电,第二输出端口经过一个介质波长的微带馈线和三个依次相连的四分之一阻抗变换器后为第八天线辐射单元馈电。
2.根据权利要求1所述的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,其特征在于,所述一分八的微带馈电网络中的微带馈线所有的弯折处均为90°拐角,弯折点两侧的微带线宽度相同,弯折点处进行切角处理,切角为等腰直角三角形,所述等腰直角三角形腰长等于弯折点两侧的微带线宽度。
3.根据权利要求1所述的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,其特征在于,所述天线辐射单元和一分八的微带馈电网络表面覆盖的金属为以下六种之一或者它们之间任意两种或者两种以上的组合:(1)铜、(2)铝、(3)银、(4)金、(5)铂、(6)铅。
4.根据权利要求1所述的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,其特征在于,所述天线辐射单元和一分八的微带馈电网络表面覆盖的金属厚度为0.001毫米到1毫米之间。
5.根据权利要求1所述的一种宽轴比带宽的毫米波圆极化微带阵列天线,其特征在于,
所述的微波介质基板为以下二十三种板材之一:(1)Rogers3003、(2)Rogers 4350B、(3)
Rogers 4450、(4)Rogers 3203、(5)Rogers 4835、(6)Rogers 4003C、(7)Rogers 3035、(8)
RT/Duroid 5870、(9)RT/Duroid 5880、(10)RT/Duriod 6002、(11)RT/Duriod 6202、(12)
TMM3、(13)TMM4、(14)ULTRLAM2000、(15)ULTRLAM3000、(16)Taconic TLX-8、(17)
Taconic RF35、(18)Taconic TLY-5、(19)CLTE-AT、(20)SCGA-500 GF220、(21)SCGA-500
GF255、(22)SCGA-500 GF265、(23)SCGA-500 GF300。
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