一種毫米波微帶陣列天線的製作方法

2023-07-20 17:01:11

本發明屬於天線技術領域，具體涉及一種毫米波微帶陣列天線。

背景技術：

天線作為通信系統中的一個重要的無線電設備，其性能的好壞將直接影響無線電設備的性能。隨著無線通信和雷達系統的不斷發展和完善，對天線性能提出了重量輕、體積小、製作簡單、易共形、寬頻帶和成本低等性能要求。微帶天線正是因為滿足了上述要求，從而深受人們關注，近年來的應用也越來越廣泛。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獲得更大的增益或實現特定的方向性。陣列天線可以實現單個天線所無法實現的複雜功能，具備更大的靈活性和更高的信號容量，並能顯著提高系統的性能。目前傳統的微帶天線通常採用圓形或矩形貼片開槽等方式來提高定向性，但是增益低、損耗大及功率小的問題仍無法得到解決。是否能夠研發出一種具備高增益、低副瓣和小型化的新型陣列天線結構，從而實現整體天線構造的高集成性及小型化需求，為本領域技術人員近年來所亟待解決的技術難題。

技術實現要素：

本發明的其中一個目的為克服上述現有技術的不足，提供一種結構合理而實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點，可有效實現整體天線構造的高集成性及小型化需求。

為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：

一種毫米波微帶陣列天線，其特徵在於：本陣列天線包括介質板以及以微帶面形式貼附於介質板一側板面處的貼片陣列天線，介質板的另一側板面處貼附有饋電網絡，介質板為雙層板體且兩層板體間夾設金屬地；所述饋電網絡為具備阻抗修正功能的一分n路的T型功分電路，饋電網絡的各個分支埠處均設置有饋電點，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稱點處設置垂直貫穿介質板從而連接上述饋電點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稱設置的貼片單元構成，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於二分之一個波長，且各相鄰兩片微帶貼片之間通過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所在側為內側，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最接近的微帶貼片間直連，而與另一組貼片單元上的相對最接近的微帶貼片間通過180°移相器連接彼此。

所述饋電網絡為一分八路的三級對稱T型功分電路。

饋電網絡的各個分支埠的饋電點所在端部外形呈與同軸饋電探針彼此同軸的圓弧狀構造。

介質板上的用於貼附饋電網絡的一側板面凹設有槽腔，從而使得饋電網絡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絡處信號行進路徑相一致。

所述介質板外形呈長方板狀且其長度方向平行貼片單元布置方向，環繞介質板一圈而設置矩形金屬圈；矩形金屬圈上垂直介質板而設置金屬化共地孔，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置金屬隔離條，金屬隔離條長度方向平行介質板長度方向，且金屬隔離條兩端分別連接至矩形金屬圈的兩短邊處；沿金屬隔離條長度方向依次間隔均布有金屬化盲孔。

每組貼片單元的位於最外側的微帶貼片處設置金屬化短路孔。

所述同一個微帶貼片上的金屬化短路孔為三個且依序間隔均布，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繞饋電通孔而周向等距布置的四個金屬化通孔。

所述微帶貼片為矩形貼片或U型貼片。

介質板所用材質為Rogers 4350板材，其介電常數為3.66，厚度為0.508mm。

所述饋電網絡的總埠採用SMA接頭。

本發明的有益效果在於：

1)、本發明將貼片陣列天線處介質板與饋電網絡處介質板壓合在一起，從而形成雙層板夾設金屬地的獨特結構形式，進而使得具備阻抗修正功能的饋電網絡與採用不同幅度加權的陣列貼片天線之間產生了完美結合，隨之組合形成了本發明的具備高增益、低副瓣和小型化功能的微帶陣列天線構造。以n＝8為例作以下描述：

對於饋電網絡而言，該饋電網絡採用微帶一分八的結構形式，採用chebyshev25dB幅度加權進行設計，並且採用了相位加權的方式來展寬方位面的波束寬度。因為微帶線的物理寬度決定了其阻抗值，線寬較寬時阻抗低，線寬較窄時阻抗高，在工程實現上，阻抗值特別高的高阻抗線由於線寬太細而加工難度較大，且線寬誤差對阻抗的精度影響大；考慮這些因素，本饋電網絡在大功分比的地方採用採用阻抗修正的大功分比功分電路進行設計，從而有效的保證了工程實現上的加工精度，也進一步的使得天線降低了工程加工誤差對其性能指標的影響。

對於貼片陣列天線而言，貼片陣列天線共有八列，每一列由十二個不同大小的微帶貼片和相應的阻抗匹配段組成，並且每一列都採用taylor25dB幅度加權來實現陣面方向圖的低副瓣設計，最終保證整體天線結構的緊湊型和低損耗性。由於採用了三角箭形漸變線狀的阻抗匹配段代替傳統的四分之一阻抗變換器來實現阻抗匹配，這也減小了阻抗變換器的不連續性帶來的反射波的影響，進一步提高了天線的性能。此處的三角箭形漸變線狀，也即在自身呈現平面的三角箭狀的同時，三角箭的兩側板面凸出形成弧面狀構造，且該弧面狀遵循了漸變線形分布。更具體而言，本發明通過採用十二個微帶貼片排列成線陣，十二個微帶貼片的尺寸根據電流幅度分配比確定其大小，且各個微帶貼片之間的間距約為1/2個介質波長，從而保證各貼片單元同相饋電。每個微帶貼片之間採用三角箭形漸變線狀的阻抗匹配段可根據電流分布由饋電探針向左右兩側由強到弱；三角箭形的指向也由饋電兩側對稱指向外側處。毫米波微帶陣列天線採用同軸饋電探針的方式進行饋電，饋電點位於串饋陣列單元的中心位置，即饋電點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加入了180°移相器，且整個毫米波微帶陣列天線除饋電點一側加入了180°移相器以外，左右完全對稱，這樣可以減小它的輻射影響，從而進一步提升兩側的各組貼片單元的輻射方向圖的一致性。

綜上，本發明兼具高增益、低副瓣和小型化的優點，不僅有效實現整體天線構造的高集成性及小型化需求；同時也可使貼片陣列天線和饋電網絡彼此完美結合，並使其在工作頻段內輸入阻抗接近於50Ω，從而接近於匹配狀態，最終使天線在工作頻段內匹配良好而VSWR較低，可普遍適用於毫米波雷達、通信等領域。

2)、饋電網絡的能量總埠處設SMA接頭，八個分支埠的微帶邊緣則設計為圓弧狀，目的是為了更好的通過垂直的同軸饋電探針與貼片陣列天線做好匹配。饋電網絡一側的介質板處設置的空氣背腔，能有效地抑制空腔諧振帶來的高次模和能量損失，使得饋電網絡各埠之間的互耦影響較小，並有效保證埠的幅度和相位性能。

3)、介質板外周設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。同軸饋電探針周圍有四個金屬化通孔，可有效的加強同軸饋電探針的共地效果。同時，各組貼片單元的最外側的微帶貼片上各有三個金屬化短路孔，可使天線的阻抗匹配更好。

附圖說明

圖1是本發明的正面結構示意圖；

圖2是本發明的背面結構示意圖；

圖3是本發明的側視圖；

圖4是饋電網絡在阻抗修正狀態下的大功分比功分電路結構示意圖；

圖5是測試件的電壓駐波比測試圖；

圖6是測試件的方位面及俯仰面增益測試圖。

附圖中各標號與本發明的各部件名稱對應關係如下：

10-介質板 11-金屬地 12-空氣背腔

20-饋電網絡 21-饋電點 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

具體實施方式

為便於理解，此處以3D交通管理雷達系統的微帶陣列發射天線為例，由於饋電網絡採用微帶一分n的結構形式，因此n必然為大於1的正整數；此處以n＝8來結合附圖對本發明的具體實施結構及工作流程作以下描述：

本天線由中間夾有金屬地11的雙層的介質板10、布置於介質板10一側面處的貼片陣列天線40以及布置於介質板10另一側面處的饋電網絡20組成。圖3中可以看出雙層的介質板10相對貼片陣列天線及饋電網絡20的具體布置位置：兩層的介質板10採用壓合工藝粘合在一起，中間夾設一層金屬地11，介質板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絡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，具體布置結構如圖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的軸線軸對稱分布。每組貼片單元處微帶貼片41之間則通過不同尺寸的串饋匹配端也即阻抗匹配段42進行連接。在同軸饋電探針30的一側處加入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，進而確保整個微帶陣列的饋電電流方向一致性。各列貼片陣列天線40之間設置金屬隔離條45，整個貼片陣列天線40則環繞布置矩形金屬圈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通過同軸饋電探針30與饋電網絡20處相應的饋電點21相連接。

二)、饋電網絡部分：如圖2所示，其為一分八路且對稱構造的三級T型功分網絡。總輸入端S0的接口形式為SMA接頭，射頻信號通過該總輸入端S0按照不同的幅度分配給八個分支埠S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，然後再通過同軸饋電探針30將信號傳輸給相應列的貼片陣列天線40，最終通過貼片陣列天線40將射頻信號以電磁波的形式發射出去。

一分八路的饋電網絡20的八個分支埠S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的幅度分布和展寬相位如表1所示，該饋電網絡20使天線在方位面上實現了寬波束、低副瓣的性能指標。

表1

微帶貼片41可以看作一個場量在橫向沒有變化的傳輸線諧振器，場僅延微帶貼片41長度方向變化。在如圖1所示的選用矩形微帶貼片41時，微帶貼片41長度L通常為半波長，輻射主要有間距L的兩個開路端縫隙場產生。

如圖4所示即為饋電網絡20的其中一個分支的結構圖。饋電網絡20在幅度加權分布中出現大功分比的地方採用如圖4所示的阻抗修正的大功分比功分電路。在使用至本實施例中時，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。

通過適當的選取的阻值，可以避免出現高阻抗值的出現，在上述大功分比功分電路中，阻抗值最大為134.5Ω，所對應的微帶線寬即為0.1mm，可以滿足工程的加工要求。

本發明的效果可以通過以下實驗測試進一步說明。

為表明工作性能，此處可採用以上結構及數據製作測試件，進行以下測試操作：

測試環境：微波調試室；

測試設備：矢量網絡分析儀，轉臺，天線測試系統，標準喇叭，計算機等。

對測試件的總輸入口S0的電壓駐波比進行測試，測試結果如圖5所示：從圖5中可以看出在24～24.3GHz頻段範圍內，該測試件的駐波＜1.45，實現了較好的阻抗匹配特性。

對測試件在其工作頻段24～24.3GHz內的方位面和俯仰面增益進行測試，測試結果如圖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於36°，俯仰面3dB波瓣寬度為±4°，兩個方位面上的副瓣均小於22dB，滿足天線設計要求。