CN112736447B - 一种宽带波束固定阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽带波束固定阵列天线，包括上层金属板、下层金属板、介质板、馈电探针、主馈线、4组总分支和16个辐射贴片，其中：所述上层金属板、介质板、下层金属板均为条形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述介质板的下表面；所述介质板的中间开有中间层，所述主馈线、4组总分支和16个辐射贴片设置于所述中间层，所述主馈线上等间隔分别连接所述4组总分支，所述4组总分支分别包括4个分支共16个分支，所述16个分支分别与1个辐射贴片连接，所述16个分支具有长度差；所述主馈线的起始位置设置有纵向放置的贯穿介质的馈电探针。本发明通过4组共16个分支的长度差实现波束固定的辐射特性。

Description

一种宽带波束固定阵列天线
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，更具体地，涉及一种宽带波束固定阵列天线。
背景技术
波束固定天线是在无线通信中常用的一种天线，它可以在固定方向辐射，可以用在卫星通信和点对点通信中。传统的能实现波束固定的天线有串馈阵列天线。部分漏波天线也可以看成是串馈阵列天线，但是会有波束色散的情况，减小波束色散，实现波束固定的方法包括耦合的基片集成波导天线，超材料天线和超表面天线等，但是这些天线的设计都比较复杂。
公开日为2017年11月24日，公开号为CN107394381A的中国专利公开了一种基于堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，包括：由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接2层的金属化通孔构成的圆极化天线单元、由金属化通孔腔体及4个天线单元构成的2×2天线子阵、由金属化通孔构成的16路全并行馈电网络、馈电层和金属腔及天线之间用于耦合馈电的缝隙、用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)之间的转接结构，但是该天线的设计比较复杂。
发明内容
本发明提供一种宽带波束固定阵列天线，实现了波束固定且带宽大，同时具备易集成和容易加工的优点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种宽带波束固定阵列天线，包括上层金属板、下层金属板、介质板、馈电探针、主馈线、4组总分支和16个辐射贴片，其中：
所述上层金属板、介质板、下层金属板均为条形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述介质板的下表面；
所述介质板的中间开有中间层，所述主馈线、4组总分支和16个辐射贴片设置于所述中间层，所述主馈线上等间隔分别连接所述4组总分支，所述4组总分支分别包括4个分支共16个分支，所述16个分支分别与1个辐射贴片连接，所述16个分支具有长度差；
所述主馈线的起始位置设置有纵向放置的贯穿介质的馈电探针。
优选地，所述主馈线包括渐变馈线、第一等宽馈线、第二等宽馈线和第三等宽馈线，所述渐变馈线、第一等宽馈线、第二等宽馈线和第三等宽馈线首尾连接，其中，所述渐变馈线的宽度呈线性变化，且所述渐变馈线的最大宽度、第一等宽馈线的宽度、第二等宽馈线的宽度和第三等宽馈线的宽度依次减小，在所述渐变馈线和第一等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在所述第一等宽馈线和第二等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在所述第二等宽馈线和第三等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在第三等宽馈线的末尾连接有1组总分支。
优选地，所述4组总分支为第一总分支、第二总分支、第三总分支和第四总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支通过所述第一接线结构与所述主馈线连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支通过所述第二接线结构与所述主馈线连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支通过所述第三接线结构与所述主馈线连接；第四总分支还包括第四接线结构，所述第四总分支的4个分支通过所述第四接线结构与所述主馈线连接。
优选地，所述第一接线结构包括四段，第一段为从所述渐变馈线和第一等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸3Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从所述第一等宽馈线和第二等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸2Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从所述第二等宽馈线和第三等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第四接线结构包括两段，第一段为从第三等宽馈线的末尾出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第三接线结构的第二段的延伸方向相反，所述第二段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第一接线结构的第一段的长度比第二接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第二接线结构的第一段的长度比第三接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比第四接线结构的第一段的长度短Δy1毫米。
优选地，所述第一接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第二接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第三接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第四接线结构的第一段宽度线性增加。
优选地，所述4组总分支共16个分支均为L型分支，对于同一组总分支的4个L型分支，所述L型分支的一边与所述第一接线结构的第四段的每一小段的末尾连接，所述L型分支的另一边与1个所述辐射贴片连接。
优选地，对于同一组总分支的4个L型分支，所述L型分支的一边依次增加Δy毫米，所述L型分支的另一边依次减少ΔL毫米，所述L型分支的另一边的最长长度为3ΔL毫米。
优选地，所述所述上层金属板、下层金属板和介质板的长度相等，所述介质板的宽度长于上层金属板、下层金属板的宽度，所述上层金属板和下层金属板沿着所述介质板的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板、下层金属板和介质板重合的区域为重合区域，所述主馈线和4组总分支共16个分支在所述中间层的位置处于所述重合区域内，所述16个辐射贴片在所述中间层的位置处于所述重合区域外。
优选地，所述介质板为固体电介质。
优选地，所述中间层距离所述介质板的上表面和下表面的距离相等。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过4组共16个分支的长度差实现波束固定的辐射特性，同时本发明的结构可以采用了印刷电路板技术，具有易集成和易加工的特点。
附图说明
图1为实施例的透视图；
图2为实施例的俯视图；
图3是实施例的侧视图；
图4是实施例的反射系数图；
图5是实施例的增益与效率图；
图6是实施例工作在10.0GHz的辐射方向图。
图7是实施例工作在12.0GHz的辐射方向图。
图8是实施例工作在14.0GHz的辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 馈电探针 2 上层金属板
3 下层金属板 4 介质板
5 辐射贴片 6 分支
7 主馈线 L<sub>g</sub> 介质板长度
W<sub>g</sub> 介质板宽度 g 贴片与及介质板距离
L<sub>p</sub> 贴片长度 W<sub>p</sub> 贴片宽度
Δy(mm) 组内分支高度差 L(mm) 分支间的距离
ΔL(mm) 分支长度差 W<sub>m</sub>(mm) 分支宽度
W<sub>1</sub>(mm) 贴片与介质板距离 L<sub>2</sub>(mm) 组外馈线与主馈线距离
L<sub>1</sub>(mm) 组内贴片馈线距离 ε<sub>r</sub> 介质板介电常数
Δy<sub>1</sub> 组外分支高度差 h(mm) 单层板厚度
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种宽带波束固定阵列天线，如图1至图3，包括上层金属板2、下层金属板3、介质板4、馈电探针1、主馈线7、4组总分支和16个辐射贴片5，其中：
所述上层金属板2、介质板4、下层金属板3均为条形板，所述上层金属板2贴合于所述介质板4的上表面，所述下层金属板3贴合于所述介质板4的下表面；
所述介质板4的中间开有中间层，所述主馈线7、4组总分支和16个辐射贴片5设置于所述中间层，所述主馈线7上等间隔分别连接所述4组总分支，所述4组总分支分别包括4个分支6共16个分支6，所述16个分支6分别与1个辐射贴片5连接，所述16个分支6具有长度差；
所述主馈线7的起始位置设置有纵向放置的贯穿介质的馈电探针1。
所述主馈线7包括渐变馈线7、第一等宽馈线7、第二等宽馈线7和第三等宽馈线7，所述渐变馈线7、第一等宽馈线7、第二等宽馈线7和第三等宽馈线7首尾连接，其中，所述渐变馈线7的宽度呈线性变化，且所述渐变馈线7的最大宽度、第一等宽馈线7的宽度、第二等宽馈线7的宽度和第三等宽馈线7的宽度依次减小，在所述渐变馈线7和第一等宽馈线7的连接处连接有1组总分支，在所述第一等宽馈线7和第二等宽馈线7的连接处连接有1组总分支，在所述第二等宽馈线7和第三等宽馈线7的连接处连接有1组总分支，在第三等宽馈线7的末尾连接有1组总分支。
所述4组总分支为第一总分支、第二总分支、第三总分支和第四总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支6通过所述第一接线结构与所述主馈线7连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支6通过所述第二接线结构与所述主馈线7连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支6通过所述第三接线结构与所述主馈线7连接；第四总分支还包括第四接线结构，所述第四总分支的4个分支6通过所述第四接线结构与所述主馈线7连接。
所述第一接线结构包括四段，第一段为从所述渐变馈线7和第一等宽馈线7的连接处出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板4的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸3Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板4的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支6；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从所述第一等宽馈线7和第二等宽馈线7的连接处出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板4的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸2Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板4的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支6；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从所述第二等宽馈线7和第三等宽馈线7的连接处出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板4的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板4的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支6；
所述第四接线结构包括两段，第一段为从第三等宽馈线7的末尾出发，沿所述介质板4的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板4的长度方向延伸且延伸方向与第三接线结构的第二段的延伸方向相反，所述第二段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支6；
所述第一接线结构的第一段的长度比第二接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第二接线结构的第一段的长度比第三接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比第四接线结构的第一段的长度短Δy1毫米。
所述第一接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第二接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第三接线结构的第一段、第二段和第三端的宽度均线性增加，所述第四接线结构的第一段宽度线性增加。
主馈线7的宽度与接线结构的宽度渐变是用于实现阻抗匹配。
所述4组总分支共16个分支6均为L型分支6，对于同一组总分支的4个L型分支6，所述L型分支6的一边与所述第一接线结构的第四段的每一小段的末尾连接，所述L型分支6的另一边与1个所述辐射贴片5连接。
对于同一组总分支的4个L型分支6，所述L型分支6的一边依次增加Δy毫米，所述L型分支6的另一边依次减少ΔL毫米，所述L型分支6的另一边的最长长度为3ΔL毫米。
所述所述上层金属板2、下层金属板3和介质板4的长度相等，所述介质板4的宽度长于上层金属板2、下层金属板3的宽度，所述上层金属板2和下层金属板3沿着所述介质板4的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板2、下层金属板3和介质板4重合的区域为重合区域，所述主馈线7和4组总分支共16个分支6在所述中间层的位置处于所述重合区域内，所述16个辐射贴片5在所述中间层的位置处于所述重合区域外。在本实施例中上层金属板2与下层金属板3的长度为193mm，介质板4的长度、宽度和厚度分别为193mm，59mm与1.6mm，辐射贴片5的长度与宽度为6mm与2mm。
所述介质板4为固体电介质。
所述中间层距离所述介质板4的上表面和下表面的距离相等。
该天线采用印刷电路板技术制作而成。
在具体实施过程中，天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，长度为193mm，宽度为59mm，总厚度为1.6mm的电介质层上；上层金属板2和下层金属板3的长度为193mm，主馈线7及辐射贴片5在天线的正中间层，分支6间的距离L为6.7mm，组内分支6间的高度差Δy为4mm，分支6间的长度差ΔL为3.3mm，组内分支6宽度为0.5mm，组外分支6高度差Δy1为6mm。
图4是本发明的反射系数，图5是峰值增益和效率曲线图，从图4及图5中可以看出天线阻抗带宽(|S11|<-10dB)约为43.6％，最大增益为11.2dBi，效率稳定在80％左右。
图6至图8是本发明工作在10.0，12.0，14.0GHz的辐射方向图，可以看到天线的方向图稳定，波束固定。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽带波束固定阵列天线，其特征在于，包括上层金属板、下层金属板、介质板、馈电探针、主馈线、4组总分支和16个辐射贴片，其中：
所述上层金属板、介质板、下层金属板均为条形板，所述上层金属板贴合于所述介质板的上表面，所述下层金属板贴合于所述介质板的下表面；
所述介质板的中间开有中间层，所述主馈线、4组总分支和16个辐射贴片设置于所述中间层，所述主馈线上等间隔分别连接所述4组总分支，所述4组总分支分别包括4个分支共16个分支，所述16个分支分别与1个辐射贴片连接，所述16个分支具有长度差；
所述主馈线的起始位置设置有纵向放置的贯穿介质的馈电探针；
所述上层金属板、下层金属板和介质板的长度相等，所述介质板的宽度长于上层金属板、下层金属板的宽度，所述上层金属板和下层金属板沿着所述介质板的一边长边边缘对齐贴合，所述上层金属板、下层金属板和介质板重合的区域为重合区域，所述主馈线和4组总分支共16个分支在所述中间层的位置处于所述重合区域内，所述16个辐射贴片在所述中间层的位置处于所述重合区域外。
2.根据权利要求1所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述主馈线包括渐变馈线、第一等宽馈线、第二等宽馈线和第三等宽馈线，所述渐变馈线、第一等宽馈线、第二等宽馈线和第三等宽馈线首尾连接，其中，所述渐变馈线的宽度呈线性变化，且所述渐变馈线的最大宽度、第一等宽馈线的宽度、第二等宽馈线的宽度和第三等宽馈线的宽度依次减小，在所述渐变馈线和第一等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在所述第一等宽馈线和第二等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在所述第二等宽馈线和第三等宽馈线的连接处连接有1组总分支，在第三等宽馈线的末尾连接有1组总分支。
3.根据权利要求2所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述4组总分支为第一总分支、第二总分支、第三总分支和第四总分支，其中第一总分支还包括第一接线结构，所述第一总分支的4个分支通过所述第一接线结构与所述主馈线连接；第二总分支还包括第二接线结构，所述第二总分支的4个分支通过所述第二接线结构与所述主馈线连接；第三总分支还包括第三接线结构，所述第三总分支的4个分支通过所述第三接线结构与所述主馈线连接；第四总分支还包括第四接线结构，所述第四总分支的4个分支通过所述第四接线结构与所述主馈线连接。
4.根据权利要求3所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述第一接线结构包括四段，第一段为从所述渐变馈线和第一等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸12ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸3Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第二接线结构包括四段，第一段为从所述第一等宽馈线和第二等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸8ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸2Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第三接线结构包括四段，第一段为从所述第二等宽馈线和第三等宽馈线的连接处出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸4ΔL毫米；第三段为从第二段的终点出发，沿所述介质板的宽度方向延伸Δy1毫米且延伸方向与第一段的延伸方向相同；第四段为从第三段的终点出发沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第二段相反，所述第四段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第四接线结构包括两段，第一段为从第三等宽馈线的末尾出发，沿所述介质板的宽度方向延伸；第二段为从第一段的终点出发，沿所述介质板的长度方向延伸且延伸方向与第三接线结构的第二段的延伸方向相反，所述第二段有四小段组成，其中每一小段首尾相连，且每一小段的宽度依次减小，在每一小段的末尾连接有1个分支；
所述第一接线结构的第一段的长度比第二接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第二接线结构的第一段的长度比第三接线结构的第一段的长度短Δy1毫米，所述第三接线结构的第一段的长度比第四接线结构的第一段的长度短Δy1毫米。
5.根据权利要求4所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述第一接线结构的第一段、第二段和第三段的宽度均线性增加，所述第二接线结构的第一段、第二段和第三段的宽度均线性增加，所述第三接线结构的第一段、第二段和第三段的宽度均线性增加，所述第四接线结构的第一段宽度线性增加。
6.根据权利要求5所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述4组总分支共16个分支包括12个
Figure FDA0003513260580000031
型分支和4个
Figure FDA0003513260580000037
型分支，同一组总分支分别包括3个
Figure FDA0003513260580000032
型分支和1个
Figure FDA0003513260580000038
型分支，对于同一组总分支的各分支的一端分别与任一接线结构的最后一段的每一小段的末尾连接，所述同一组总分支的各分支的另一端与1个所述辐射贴片连接。
7.根据权利要求6所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，对于同一组总分支的3个
Figure FDA0003513260580000033
型分支和1个
Figure FDA0003513260580000039
型分支，所述3个
Figure FDA0003513260580000034
型分支的一端依次增加Δy毫米，所述3个
Figure FDA0003513260580000035
型分支的中间边依次减少ΔL毫米，所述3个
Figure FDA0003513260580000036
型分支的中间边的最长长度为3ΔL毫米。
8.根据权利要求7所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述介质板为固体电介质。
9.根据权利要求8所述的宽带波束固定阵列天线，其特征在于，所述中间层距离所述介质板的上表面和下表面的距离相等。
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