CN102394359B - 一种波束对称的多层微带平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种波束对称的多层微带平板阵列天线，由辐射层、馈电层和反射板组成，在辐射层的内表面上对称分布辐射贴片，辐射贴片阵列为3×6共18个单元；所述馈电层位于辐射层和反射板之间，每层间距为四分之一波长，在馈电层面的接地面开设3×6共18个H形耦合缝隙，在馈线面布置微带馈线，在微带馈线网络上，能量经过第一级功分器分配给第二级功分器并使与相位相反，最后经过串行阻抗匹配线路将能量分配给各个辐射单元，所述反射板为金属板，构成天线壳体的内表面，所述辐射层同时具备天线罩的功能，整个天线除一连接器以外全处于一个密闭的壳体之中。

Description

一种波束对称的多层微带平板阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波束对称的多层微带平板阵列天线，在设计时，将一维串行馈电平面阵列天线波束的副瓣通过馈电的设计实现左右对称。

技术背景

目前，微带阵列天线已经在雷达、遥感、通讯等方面应用广泛。单层微带天线以其重量轻，厚度小，易共型等特点得到重视，但是与通常的微波天线相比，微带天线一般频带窄，有损耗，因而增益不高。当频率一定时，厚基片的带宽较宽、增益较高，介电常数越小的基片带宽较宽增益较高。由于微带天线带宽的典型值为百分之几的量级，所以，带宽受限制是微带天线的缺点之一。

对于理想的平面阵列天线而言，不同的馈电方式直接影响天线不同方向图形状。根据方向图综合理论，幅度对称的等相位馈电方式所得到的天线远场方向图也是对称的。但在微带阵列天线的实际应用中，通常是馈电网络与阵元均处于同一侧。由于微带线本身在射频频段将会产生一定的辐射，其馈线的辐射场和辐射单元的辐射场相互叠加产生的互耦，不仅会影响天线的交叉极化和隔离度，而且影响主瓣的增益，同时天线远场方向图的副瓣也会不规则排布。特别是当天线阵元数较少、波束较宽时，微带贴片天线所形成的方向图主波束会变形恶化，因而不能满足某些要求方向图对称分布的实际应用。关于阵列天线馈电的问题，前人已经做了大量的工作。一般的馈电网络都是在辐射片周围布线，这样避免不了馈线和辐射单元的互耦问题。加入匹配屏蔽线的方法可以使单微带线辐射功率明显小于未加屏蔽线时的功率，但在实际工程设计中往往由于微带阵列辐射单元间距的限制而使得这种方法很难实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服现有微带阵列天线带宽受限制及馈电方式技术的不足，设计一种波束对称多层微带平板阵列天线，该天线损耗小、结构简单、加工简单。

实现本发明的技术方案是：波束对称的多层微带平板阵列天线设计为三层，由辐射层、馈电层和反射板组成，在辐射层的内表面上对称分布辐射贴片，辐射贴片阵列为3×6共18个单元；所述馈电层位于辐射层和反射板之间，每层间距为四分之一波长，馈电层面向辐射层的一面为接地面，面向反射板的一面为微带馈线面，在接地面上开设3×6共18个H形的耦合缝隙，在馈线面布置微带馈线，微带馈线网络由馈电点，第一级功分器，两个第二级功分器，串行馈电匹配线路以及传输线组成，馈电点用于焊接半柔电缆，能量经过第一级功分器分配给两个第二级功分器并使两个第二级功分器相位相反，最后经过串行阻抗匹配线路将能量分配给各个辐射单元，所述反射板为金属板，构成天线壳体的内表面，所述辐射层同时具备天线罩的功能，整个天线除一连接器以外全处于一个密闭的壳体之中。

本发明的馈电层设计采用对称形式，减小馈电传输线对阵列方向图的影响，构成对称的波束方向图，在接地面上附着的辐射缝隙的几何中心与辐射层上附着的辐射贴片的重心重合；使馈线层中的微带馈线能量通过耦合缝隙耦合到辐射贴片进而辐射出去，消除了馈线自身辐射与辐射单元之间的耦合影响。

在微带馈线面方位维馈线的馈电方式为串行馈电，通过调节每一节的1/4阻抗匹配线的尺寸实现幅度的分布，其中靠近上边缘和下边缘的两排方位维和俯仰维中心馈线以轴对称分布，这两排馈线馈电方向相反，中间一排馈线左右两边的馈电方向相反，在俯仰维，通过两个第二级调节功分器、实现幅度分布，功分器通过不等长非对称双端口网络与两个第二级功分器级联，实现两个第二级功分器之间相位相差180°，从而补偿结构对称分布的馈线所产生的相位差。由于馈线层中的微带馈线的能量是通过耦合缝隙耦合到辐射贴片进而辐射出去，微带馈线本身的辐射场并不影响辐射贴片，而且微带馈线本身也是对称排布的，因此这种结构就消除了馈线自身辐射与辐射单元之间的耦合影响，从而方向图也是对称的。

由上述技术方案构成的本发明波束对称的多层微带平板阵列天线与现有技术对比，具有的有益效果在于：

现有技术通常将辐射贴片和馈线置于同一平面且馈线排布为非对称结构，这种结构的天线实测方向图往往对称性不好，增益也由于辐射贴片和馈线互耦影响而降低。本发明通过独特的馈电设计，可减小辐射贴片与馈线间的互耦，实现波束良好的对称。

附图说明

图1是辐射层辐射单元分布图

图2是馈电层接地面耦合缝隙图

图3是馈电层微带馈线分布图

图4是辐射层馈电层和反射板装配组合示意图

图5是俯仰维实测方向图

图6是方位维实测方向图

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容进行清楚、详细的说明。

图1是辐射层11的辐射单元分布图。图1中辐射贴片1按照方向图综合理论的计算结果排列在辐射层的内表面，呈对称分布。辐射贴片阵列为3×6共18个单元。螺钉孔2分布在辐射层边缘。

图2是馈电层15接地面耦合缝隙图。该层印制于中间馈电层的一面，馈电层15的接地面14位于辐射层的下方处。其中耦合缝隙6形状为“H”形，耦合缝隙阵列为3×6共18个，每个缝隙6的中心和辐射贴片1的重心重合。箭头3指示的是天线的极化方向。过孔4和过孔5为电缆的焊接预留。图中3指向方向为天线俯仰维，与之在同一平面垂直为方位维。

图3是馈电层微带馈线分布图。馈电层的微带馈线由馈电点7，第一级功分器8，第二级第一功分器9、第二级第二功分器10，串行阻抗匹配线路12以及传输线13组成。馈电点7焊接直径2.2mm的半柔电缆，能量经过第一级功分器8分配给第二级第一功分器9和第二级第二功分器10并使第二级第一功分器9和第二级第二功分器10相位相反，最后经过串行阻抗匹配线路12将能量分配给各个辐射单元。

图3中编号3指向方向为天线俯仰维，与之在同一平面垂直为方位维。微带馈线在方位维的馈电方式为串行馈电，通过调节每一节的1/4串行阻抗匹配线12的尺寸实现幅度的分布，其中靠近上边缘和下边缘的两排方位维和俯仰维中心馈线以轴对称分布，这两排馈线馈电方向相反，中间一排馈线左右两边的馈电方向相反，在俯仰维，通过调节第一级功分器8、第二级第一功分器9与第二级第二功分器10实现幅度分布，第一级功分器8通过不等长非对称双端口网络与第二级第一功分器9、第二级第二功分器10级联，实现第二级第一功分器9与第二级第二功分器10相位相差180°，从而补偿结构对称分布的馈线所产生的相位差。

图4是辐射层、馈电层和反射板装配组合示意图。图中所示，天线分结构为三层，分别是辐射层11、馈电层15和反射板17。馈电层15位于辐射层11和反射板17之间，每层间距为四分之一波长。辐射层11的材料选择为1mm厚介电常数4.3的环氧玻璃布板(单面覆铜厚度0.035mm)，馈电层15材料选用1mm厚介电常数2.65的聚四氟乙烯(两面覆铜均厚0.035mm)，反射板17为光滑无毛刺金属板。辐射贴片1装贴于辐射层11的内表面。辐射层11同时还具备天线罩的功能。接地面14和馈线面16分别位于馈电层15的上下两面。反射面17是天线壳体的内表面，支撑柱19支撑馈电层15。SMA连接器18固定在反射层17外表面，与之相连的半柔电缆20穿过过孔4绕至过孔5(在空间中避开辐射单元)，并将电缆内芯焊接至焊点7处。整个天线除连接器18以外均处于一个密闭的壳体之中。

根据方向图综合理论，考虑实际结构尺寸，波束宽度为方位维15°和俯仰维30°的辐射波束可以通过6×3的微带阵列实现，单元间距为48mm×50mm。根据微带片辐射理论，经过计算采用厚度为1mm介电常数为4.3的环氧玻璃布板为基片的辐射贴片的尺寸为26.4mm×24mm。采用厚度为1mm介电常数为2.65的聚四氟乙烯为基片的50欧姆串行阻抗匹配线的宽度为2.75mm。

经过实测方向图在频带内呈对称分布，其中图5所示为某一频点的俯仰维方向图。图6所示为某一频点的方位维方向图。俯仰波束和方位波束分别对称于天线阵面法线，波束宽度、实测增益满足设计要求。

综上所述本发明提供了一种波束对称天线实施方式，针对此方法给出了具体实施办法并附图进行了说明。通过具体的仿真实验和试验样件实测也验证了这种独特的馈电设计方案的可行性和正确性。

Claims (2)

1.一种波束对称的多层微带平板阵列天线，由辐射层(11)、馈电层(15)和反射板(17)组成，该天线结构为三层，所述馈电层(15)位于辐射层(11)和反射板(17)之间，每层间距为四分之一波长，馈电层面向辐射层的一面为接地面(14)，面向反射板(17)的一面为微带馈线面(16)，在接地面(14)上开设3×6共18个H形的耦合缝隙(6)，在馈线面(16)布置微带馈线，微带馈线网络由馈电点(7)，第一级功分器(8)，第二级第一功分器(9)，第二级第二功分器(10)，串行阻抗匹配线路(12)以及传输线(13)组成，馈电点(7)焊接半柔电缆(20)，能量经过第一级功分器(8)分配给第二级第一功分器(9)和第二级第二功分器(10)并使第二级第一功分器(9)和第二级第二功分器(10)相位相反，最后经过串行阻抗匹配线路(13)将能量分配给各个辐射单元，所述反射板(17)为金属板，构成天线壳体的内表面，所述辐射层(11)同时具备天线罩的功能，整个天线除一连接器以外全处于一个密闭的壳体之中。其特征在于：辐射贴片阵列为3行6列共18个单元，其中辐射贴片(1)行数为奇数，常规同相位馈电无法形成物理对称；辐射贴片(1)行数小于4行为少量的辐射贴片，常规少量阵列辐射贴片单元合成方向图极易受到馈电影响；馈电层(15)设计采用轴对称嵌套中心对称馈线结构对单元进行馈电，第一级馈电网络功分器(8)采用不等长非对称双端口网络进行馈电，对于少量的奇数行辐射贴片(1)可减小馈电传输线对单个辐射贴片(1)的电磁场耦合，减小传输线对阵列方向图的影响，构成对称的波束方向图。

2.根据权利要求1所述的一种波束对称的多层微带平板阵列天线，其特征在于：馈电层(15)靠近上边缘和下边缘的两排方位维和俯仰维中心馈线以轴对称分布，这两排馈线馈电方向相反，中间一排馈线左右两边的馈电呈中心对称分布，左右两边馈电方向相反，在俯仰维，通过调节第一级功分器(8)、第二级第一功分器(9)、第二级第二功分器(10)实现幅度分布，第一级功分器(8)通过不等长非对称双端口网络与第二级第一功分器(9)、第二级第二功分器(10)级联，实现第二级第一功分器(9)与第二级第二功分器(10)相位相差180°，从而补偿轴对称嵌套中心对称分布的馈线结构所产生的相位差。