一种超紧凑的微带贴片阵列天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种超紧凑的微带贴片阵列天线。

背景技术：

随着现代无线通信系统的发展，无线终端一直朝着小型化的方向发展。对于安装在移动设备终端的微带阵列天线，我们必须通过减小单元尺寸或者减少单元之间的间距来适应这种有限空间。但是，阵列天线单元间距的减小，最直接的影响就是会使天线阵元间的耦合增大。一个单元的能量可以通过介质板、自由空间等媒介来与周围阵元产生互耦。这种互耦的存在将会对天线阵的辐射性能产生系列影响，如方向图畸变、谐振点偏移、信噪比降低等。

目前，降低天线阵列间的互耦工作主要是从两个方面分析：1，通过改变天线本身的几何结构或者阵列单元的排布方式来使得天线阵元间的耦合降低；2，通过在相邻辐射贴片之间加载额外的结构，形成电磁波传输的禁带，从而实现互耦抑制。但是，这些方法很难实现超紧凑型天线阵列(如相邻贴片之间的距离小于λ/10)。

此外，要实现天线整体结构的小型化，馈电网络的尺寸应与辐射贴片阵列做相应的压缩。通常，为了实现等幅同相馈电，阵列天线的馈电网络充当功分器和相移器的双重功能。而传统意义上的移相器通常是采用相位累积的方法来实现，这不利于实现天线系统的小型化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有阵列天线存在尺寸大和单元隔离度差的问题，提供一种超紧凑的微带贴片阵列天线。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超紧凑的微带贴片阵列天线，包括介质板、天线阵列和金属地板；其中天线阵列和金属地板设置在介质板上；其中天线阵列由2个以上的天线阵列单元组成，每个天线阵列单元包括馈线和辐射贴片；每2个天线阵列单元的辐射贴片之间设有一去耦网络，且该去耦网络与这2个辐射贴片之间均留有一定的间隙；每个去耦网络为2个相互对插的左梳齿和右梳齿所构成的叉指结构；其中左梳齿和右梳齿的结构相同，且两者相互独立；所述左梳齿和右梳齿均由指节连接线和位于指节连接线同一侧的2个以上的指节构成，指节的延伸方向与指节连接线的延伸方向垂直；左梳齿的指节位于指节连接线的右侧；右梳齿的指节位于指节连接线的左侧。

上述方案中，每个去耦网络的左梳齿的指节和右梳齿的指节相互交替间隔设置。

上述方案中，指节连接线的长度长于所有指节并排后所形成的长度。

上述方案中，去耦网络与辐射贴片位于介质板的同一层。

上述方案中，馈线为微带式馈线、背馈式馈线或底馈式馈线。

上述方案中，天线阵列单元的馈线上设有至少1个复合左右手移相单元；每个复合左右手移相单元由交指电容、细微带线和金属过孔组成；交指电容串设在馈线上，金属过孔设置在馈线的附近，交指电容和金属过孔通过细微带线连接。

上述方案中，不同馈线上的复合左右手移相单元的个数依次变化。

上述方案中，天线阵列单元的馈线与馈源之间设有至少1个T型结。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.对于不同工作频段的天线阵，可以通过调整去耦网络的尺寸参数来提高阵元间的隔离度；

2.利用所提出结构降低阵元间的电磁互耦，能够将阵元间的距离压缩到小于0.08倍波长，达到小型化目的；

3.利用复合左右手传输线移相器，能够解决传统弯折线构成的移相器所占空间较大的问题。

附图说明

图1为一种超紧凑的微带贴片阵列天线的立体结构示意图。

图2为去耦网络的示意图。

图3为复合左右手移相单元的示意图。

图4为加载去耦网络和未加载去耦网络的阵列天线反射系数S11与耦合系数S21对比图(虚线为仿真，实线为实测)；(a)为未加载去耦网络的天线阵列，(b)为加载去耦网络的天线阵列。

图5为一种超紧凑的微带贴片阵列天线及小型化馈电网络整体S参数仿真与实测对比图(虚线为仿真，实线为实测)。

图6为一种超紧凑的微带贴片阵列天线及小型化馈电网络整体归一化的远场方向图(虚线为仿真，实线为实测)；(a)为H面，(b)为E面。

图中标号：1、介质板；2-1、指节；2-2、指节连接线；3-1、馈线；3-2、辐射贴片；4、T型结；5-1、交指电容；5-2细微带线；5-3、金属过孔；6、金属地板。

具体实施方式

一种超紧凑的微带贴片阵列天线，如图1所示，由介质板1、天线阵列、金属地板6、去耦网络和馈电网络组成。

介质板1作为整个微带贴片阵列天线的载体，其上设置有天线阵列、金属地板6、去耦网络和馈电网络。在本发明中天线阵列、去耦网络和馈电网络位于介质板1的上表面，金属地板6位于介质板1的下表面。介质板1的形状和尺寸根据所承载的天线阵列、去耦网络和馈电网络的形状和尺寸决定。在本发明优选实施例中，介质板1的形状为凸字形，其中凸字形的上部较小的区域设置馈电网络，其尺寸长×宽为108mm×23mm凸字形的下部较大的区域设置天线阵列，其尺寸长×宽为150mm×80mm。介质板1的厚度为0.8mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。

金属地板6为印刷于介质板1上的覆盖金属层。在本发明优选实施例中，金属地板6全覆盖于介质板1的下表面。金属地板6与天线阵列单元的辐射贴片3-2相互作用，两者共同构成双线结构，保证天线的正常工作。

天线阵列由2个以上的天线阵列单元组成，为印刷在介质板1上的金属结构层，每个天线阵列单元的结构相同，且相互之间相互独立，即2个天线阵列单元之间存在一定的间距。在本发明优选实施例中，天线阵列单元的个数为3个。天线阵列单元的尺寸是由介质板1的介电常数、损耗角正切、厚度和天线工作频率决定。在本发明中，每个天线阵列单元由馈线3-1和辐射贴片3-2组成，辐射贴片3-2需覆于在介质板1的表面上，馈线3-1可以采用外接的形式(比如背馈或底馈)，也可以采用覆于在介质板1表面的形式。辐射贴片3-2与馈线3-1直接或耦合连接。在本发明优选实施例中，辐射贴片3-2和馈线3-1均覆于在介质板1的表面上，辐射贴片3-2的形状为长方形，馈线3-1为长条状的微带馈线3-1，辐射贴片3-2与馈线3-1直接连接。

为了在有限的尺寸内减小天线阵列单元之间的相互影响，本发明在每2个天线阵列单元的辐射贴片3-2之间设有一去耦网络，该去耦网络与这2个辐射贴片3-2之间均留有一定的间隙。去耦网络对电磁波的抑制，但不受于馈电形式的限制。参见图2，每个去耦网络为2个相互对插的左梳齿和右梳齿所构成的叉指结构。其中左梳齿和右梳齿的结构相同，且两者相互独立。所述左梳齿和右梳齿均由指节连接线2-2和位于指节连接线2-2同一侧的2个以上的指节2-1构成，指节2-1的延伸方向与指节连接线2-2的延伸方向垂直，且指节连接线2-2的长度长于所有指节2-1并排后所形成的长度。左梳齿的指节2-1位于指节连接线2-2的右侧；右梳齿的指节2-1位于指节连接线2-2的左侧。左梳齿和右梳齿可以采用整体对插的形式或交替对插的形式。在本发明中，左梳齿和右梳齿为交替对插，即每个去耦网络的左梳齿的指节2-1和右梳齿的指节2-1相互交替间隔设置。去耦网络是由交叉指节2-1状结构构成的谐振结构，其能够在有限的空间内通过调整相应尺寸(包括指节2-1数量N、宽度n、间距g₂及两边的连接线长度L_res等)，来调控电磁波在该结构表面的传输特性。在某些特定结构的参数下，达到天线工作频段去耦目的。

为了提供适当的功率分配比和相位关系，以使天线整体具有要求的辐射方向图，本发明还设置馈电网络，该馈电网络包括复合左右手移相单元和T型结4。其中复合左右手移相单元用于实现各天线阵列单元之间的相位匹配，T型结4用于调节各天线阵列单元之间的功率分配比。为了便于参数调节，本发明需要先进行等功率的匹配调节后，再进行等幅同相的匹配调节，也就是说，馈源先经过T型结4，再经过复合左右手移相单元后，最后与天线阵列单元相接。

本发明采用复合左右手移相单元实现天线的同相馈电。一般情况下，串联同相馈电的实现是辐射单元之间经过一个整波长的相位延迟，即2个辐射单元间的传输线长约一个工作波长。为了超紧凑的天线阵列的同相馈电，馈电网络的尺寸也需要同步减小，这样就不可避免导致馈电端口之间的距离小于一个波长，而弯折线的使用能够通过相位积累来实现馈电网络端口间移相的作用，但是不可避免地占据更大尺寸。通过增设复合左右手传输线移相单元使馈电网络能够同相输出电磁波，同时保证了紧凑型结构。从路的分析方法来看，构成复合左右手传输线需要在双线结构中出现串联电容与并联电感。在本发明中，复合左右手移相单元设在天线阵列单元的馈线3-1上。参见图3，每个复合左右手移相单元由交指电容5-1、细微带线5-2和金属过孔5-3组成。交指电容5-1串设在馈线3-1上，交指结构能够提供复合左右手传输线中的串联电容。金属过孔5-3设置在馈线3-1的附近，交指电容5-1和金属过孔5-3通过细微带线5-2连接，细微带线5-2通过金属过孔5-3连接在金属地板6，即可提供并联电感。通过改变交指结构的相关参数(包括e、s、lcap等)和细微带线5-2的相关参数(包括lind和wind)，相应的电容电感值将改变。根据复合左右手传输线的相关理论，调整相应的电容电感值，能够改变电磁波沿着传输线的传输状态，达到移相目的。根据需求在各条馈线3-1上设置不同个数的复合左右手移相单元，且不同馈线3-1上的复合左右手移相单元的个数依次变化，即不同馈线3-1上的复合左右手移相单元的个数的变化可以根据设计要求，为线性递增或非线性递增的变化关系。在本发明优选实施例中，位于介质板1最右侧的天线阵列单元作为所有天线阵列单元的基准，其馈线3-1上不设置复合左右手移相单元，位于中间的天线阵列单元上设置有1个复合左右手移相单元，位于左间的天线阵列单元上设置有2个复合左右手移相单元。

本发明采用T型结4进行等功率分配。天线阵列单元的馈线3-1与馈源之间设有至少1个T型结4，该T型结4实际上有2段微带线组成，其中一段微带线的线宽粗于另一段微带线的线宽，由此形成T字形。本发明优选实施例中，位于介质板1最左侧的天线阵列单元与馈源之间设有1个T型结4；位于介质板1中间的天线阵列单元与位于介质板1最左侧的天线阵列单元之间设有1个T型结4，即相当于位于介质板1中间的天线阵列单元与馈源之间设有2个T型结4；位于介质板1最右侧的天线阵列单元与位于介质板1中间的天线阵列单元之间通过等粗的微带线连接，即相当于位于介质板1最右侧的天线阵列单元与馈源之间设有2个T型结4。经优化参数后的馈电网络三个输出端口的输出功率比为1：1：1。馈电网络整体结构是由分别将功率分为1：2和1：1的两个T型结4构成。T型结4最大的优点是在固定一个输出端阻抗(其他条件不变的情况下，线宽决定阻抗)的情况下，通过改变输入端和另一个输出端的阻抗来调节输出功分比。这样有利于与阻抗为50Ω的天线馈线3-1连接。其中，阻抗的改变是通过线宽实现，本发明优选实例中，改变线宽的传输线长度均为四分之一波长，以适合T型结4与其所连接传输线之间的阻抗匹配。

下面通过一个具体实例对本发明的效果进行说明：

天线阵列工作中心频率为2.4GHz，工作带宽大于30MHz。辐射贴片3-2边缘间距为d＝10mm，约为0.08倍波长，该波长为2.4GHz频率下自由空间波长。馈电端口位于介质板1侧边，其中辐射贴片3-2的尺寸：L＝30mm，W＝30mm，馈线3-1宽度为1.53mm。去耦网络的尺寸：L_res＝30mm，W_res＝8mm，W_g＝2.96mm，W_s＝1mm，g1＝1mm，g2＝0.67mm，n＝0.17mm。去耦网络位于辐射贴片3-2之间，但不与其连接，且紧贴于介质板1。

该天线的S参数仿真与实测结果如图4所示，其中图4(a)为未加载去耦网络的天线阵列，图4(b)为加载去耦网络的天线阵列。由图可知，工作在频率2.4GHz，该天线阵列在加载了去耦网络后，隔离度S21降至-40dB左右。且在互耦极大程度降低的情况下，天线的工作带宽受影响小。图5与图6为加载去耦网络和馈电网络后，近场与远场方向仿真与实测结果对比图。图5为S参数对比图。可以看出，本发明优选实例在近场结果方面与仿真数据有很高的吻合度；图6为归一化的远场H面与E面对比图。可以看出，加载了去耦网络的天线整体，天线辐射主瓣半功率波数宽度(HPBW)宽度E面、H面分别为40°和70°，基本符合阵列天线方向性要求。

本发明利用谐振型的交指结构去耦合网络进行阵列天线单元间的去耦，能够大幅度降低相邻辐射贴片3-2之间的电磁耦合，在保证天线单元优良的带宽性能情况下，极大降低了阵列间的电磁互耦，保证了一定性能基础上，达到天线的小型化，从而实现阵列天线的超紧凑型结构。同时利用左右手传输线，设计了小型化馈电网络，最终实现天线阵列整体结构的小型化。本发明具有结构紧凑、去耦效果好、易于加工等优点。

以上介绍了本发明的原理、特性、功能以及相关优点，需要指出的是：以上仿真案例仅用于说明本发明的技术方案，并非限制。对于本行业内的相关人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所进行的改进也应视为本发明的保护范围。同时，结合缩比原理，该方法仍然能够用于其他频段中贴片型阵列天线中的电磁去耦问题。