一种紧凑型定向阵列天线的制作方法

本实用新型涉及射频天线技术领域，特别是涉及一种紧凑型定向阵列天线。

背景技术：

微多普勒效应在自然界、人类和动植物是普遍的现象，微多普勒效应传感器的成功研制，将在监控、医疗、应急救灾、生物等领域具有广泛的应用前景，因此对于微多普勒效应传感器的研究具有重要的理论和实际意义。

阵列天线，作为微多普勒效应传感器的关键组成部分，其辐射方向必须为定向辐射，此外，考虑到传感器的集成，所设计阵列天线需要实现低剖面、小型化。而传统阵列天线的体积大，不利于集成，且其辐射方向垂直于阵列平面，不适用于微多普勒效应传感器斜向上辐射的应用场合。

由此可见，如何实现阵列天线的小型化以及定向辐射，从而满足与微多普勒效应传感器的集成是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种紧凑型定向阵列天线，用于实现阵列天线的小型化以及定向辐射，从而满足与微多普勒效应传感器的集成。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种紧凑型定向阵列天线，包括PCB板、设置在所述PCB板正面的天线阵列和馈电网络、以及设置在所述PCB板背面的射频信号地板；

所述天线阵列包括4ⁿ个天线阵元且中心对称，各所述天线阵元为E型嵌入馈电式贴片天线，各所述天线阵元的射频信号输入端口与所述馈电网络的各射频信号输出端口对应连接；

所述射频信号地板上设置有馈电连接槽，与所述馈电网络的射频信号输入端口形成同轴馈电，n为正整数。

优选地，所述馈电网络的各射频信号输出端口的输出功率和相位均相同。

优选地，n为1。

优选地，所述馈电网络包括第一微带线、第一T型功分器、第二微带线，波长变换器，第三微带线、第二T型功分器和第四微带线；

其中，所述第一微带线设置于所述馈电网络的射频信号输入端口处，所述第一微带线的一端与所述第一T型功分器的第一端连接，所述第一T型功分器的第二端和第三端均依次连接所述第二微带线、所述波长变换器、所述第三微带线、所述第二T型功分器，所述第二T型功分器的两端均连接所述第四微带线，所述第四微带线的末端作为所述馈电网络的射频信号输出端口与所述天线阵元的射频信号输入端口连接。

优选地，所述E型嵌入馈电式贴片天线的输入阻抗为100Ω。

优选地，所述第一微带线和所述第三微带线的输入阻抗为50Ω，所述第二微带线和所述第四微带线的输入阻抗为100Ω。

优选地，所述波长变换器为70.71Ω四分之一波长变换器。

优选地，所述PCB板为单层双面矩形，相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02，厚度为1mm。

优选地，所述射频信号地板和所述天线阵列均为覆铜板，所述覆铜板的厚度为35μm。

优选地，所述馈电网络的射频信号输入端口为挖空的圆柱体，所述馈电连接槽为圆形槽。本实用新型所提供的紧凑型定向阵列天线，

本实用新型提供的紧凑型定向阵列天线，包括PCB板、设置在PCB板正面的天线阵列和馈电网络、以及设置在PCB板背面的射频信号地板；天线阵列包括4ⁿ个天线阵元且中心对称，各天线阵元为E型嵌入馈电式贴片天线，各天线阵元的射频信号输入端口与馈电网络的各射频信号输出端口对应连

接；射频信号地板上设置有馈电连接槽，与馈电网络的射频信号输入端口形成同轴馈电，n为正整数。由此可见，本实用新型提供的阵列天线中由于天线阵列中心对称，且各天线阵元为E型嵌入馈电式贴片天线，通过调节馈电网络的各射频信号输出端口的输出功率和相位，使得阵列天线能够产生定向射频信号，另外充分利用了贴片天线固有的优势实现了紧凑型低剖面的目的，能够满足多普勒效应传感器的实际需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的正面结构图；

图3为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的背面结构图；

图4为本实用新型实施例提供的一种天线阵元的结构图；

图5为本实用新型实施例提供的一种馈电网络的结构图；

图6为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的回波损耗图；

图7为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的xz和yz截面上的增益方向图；

附图标记如下：1为PCB板，4为射频信号地板，5为天线阵元，6为馈电网络的射频信号输入端口，7为第一微带线、8为第二微带线，9为波长变换器，10为第三微带线，11为第四微带线，12为天线阵元的射频信号输入端口，13为第一T型功分器，14为第二T型功分器，15为馈电连接槽。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。

本实用新型的核心是提供一种紧凑型定向阵列天线，用于实现阵列天线的小型化以及定向辐射，从而满足与微多普勒效应传感器的集成。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的结构图。图2为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的正面结构图。图3为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的背面结构图。紧凑型定向阵列天线包括PCB板1、设置在PCB板1正面的天线阵列和馈电网络、以及设置在PCB板1背面的射频信号地板4。

天线阵列包括4ⁿ个天线阵元5且中心对称，各天线阵元5为E型嵌入馈电式贴片天线，各天线阵元5的射频信号输入端口12与馈电网络的各射频信号输出端口对应连接；

射频信号地板4上设置有馈电连接槽15，与馈电网络的射频信号输入端口6形成同轴馈电，n为正整数。

可以理解的是，上述图示中，取n为1，即天线阵列包括4个天线阵元5，上述图示只是一种具体实施方式，并不代表只有这一种。

在具体实施中，矩形单层双面PCB板1可以选用FR4_epoxy微波材料，相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02，厚度为1mm，PCB板1可以为矩形，矩形的长度L和宽度W可以根据实际情况设定。在一种具体实施例中，L为48.4mm，W为63mm。相对于现有阵列天线的长宽至少为一百多毫米，因此，本实用新型提供的天线的尺寸大大减小，实现了阵列天线的紧凑性、小型化设计；阵列天线的高度为1mm，使得该天线阵列具有极低剖面，利于微多普勒效应传感器的集成。

在一种具体实施方式中，射频信号地板4和天线阵列均为覆铜板，覆铜板的厚度为35μm。馈电网络的射频信号输入端口6为挖空的圆柱体，馈电连接槽15为圆形槽，为该阵列天线提供激励。具体的，R1为0.6mm，R2为2.1mm。

本实施例提供的紧凑型定向阵列天线，包括PCB板、设置在PCB板正面的天线阵列和馈电网络、以及设置在PCB板背面的射频信号地板；天线阵列包括4ⁿ个天线阵元且中心对称，各天线阵元为E型嵌入馈电式贴片天线，各天线阵元的射频信号输入端口与馈电网络的各射频信号输出端口对应连接；射频信号地板上设置有馈电连接槽，与馈电网络的射频信号输入端口形成同轴馈电，n为正整数。由此可见，本实用新型提供的阵列天线中由于天线阵列中心对称，且各天线阵元为E型嵌入馈电式贴片天线，通过调节馈电网络的各射频信号输出端口的输出功率和相位，使得阵列天线能够产生定向射频信号，另外充分利用了贴片天线固有的优势实现了紧凑型低剖面的目的，能够满足多普勒效应传感器的实际需求。

图4为本实用新型实施例提供的一种天线阵元的结构图。作为一种优选的实施方式，如图4所示，各天线阵元5为E型嵌入馈电式贴片天线，长度Lp为11.84mm，宽度Wp为15mm，微带线(后文中的第四微带线)的宽度Wo为0.42mm，馈电嵌入槽的长度Lin为2mm，宽度Win为1.5mm，其与E型槽的间距d为1.8mm，E型槽的具体尺寸，La为12mm，Lb为6.8mm，Lc为4.6mm，Wa为1.8mm，Wb为1.5mm，Wc为1.24mm。在具体实施中，如果天线阵元5的输入阻抗为50Ω，则选用50Ω微带线进行馈电。天线工作的中心频率由天线阵元5的长度、宽度及E型槽的尺寸决定，因此具体的尺寸需要根据实际情况设定，本实施例不再赘述。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，馈电网络的各射频信号输出端口的输出功率和相位均相同。

如果射频信号输出端口的输出功率和相位均相同，则可以满足射频信号的最大辐射方向呈30度。可以理解的是，如果调整各输出端口的输出功率和相位可以实现射频信号在不同角度的调节，本实施例不再赘述。

如图2所示，各射频信号输出端口的输出功率和相位均相同的一种具体实施方式为：馈电网络包括第一微带线7、第一T型功分器13、第二微带线8，波长变换器9，第三微带线10、第二T型功分器14和第四微带线11；

其中，第一微带线7设置于射频信号输入端口6处，第一微带线7的一端与第一T型功分器13的第一端连接，第一T型功分器13的第二端和第三端均依次连接第二微带线8、波长变换器9、第三微带线10、第二T型功分器14，第二T型功分器14的两端均连接第四微带线11，第四微带线11的末端作为射频信号输出端口与天线阵元的射频信号输入端口连接。

需要说明的是，为了图示清楚起见，图2中并不是对每个部件都进行的标号，相同的部件可能指标了一次，具体请于文字结合。

图5为本实用新型实施例提供的一种馈电网络的结构图。如图5所示，在一种具体实施方式中，馈电网络的具体尺寸如下：L1为3mm，W1为1.92mm，L2为2mm，W2为0.42mm，L3为5mm，W3为0.99mm，L4为2.15mm，W4为1.92mm，L5为5mm，L6为8mm，L7为1mm，W7为0.42mm，L8为5mm，L9为2mm，L10为1mm，W10为mm，R3为1mm。。为了图示清楚起见，图5中只对馈电网络中的第一微带线7进行了标号，其它部件的对应关系请参见图2.

作为优选的实施方式，E型嵌入馈电式贴片天线的输入阻抗为100Ω。

作为优选的实施方式，第一微带线7和第三微带线10的输入阻抗为50Ω，第二微带线8和第四微带线11的输入阻抗为100Ω。

作为优选的实施方式，波长变换器9为70.71Ω四分之一波长变换器。

馈电网络的射频输入端口6是天线阵列的射频输入和测试端口，作为安装SMA使用，选用的产品型号可为Gwave SMA-KHD9A。

导波波长的计算公式为：其中，λ_g是导波波长，c为光速，f为工作频率，ε₆为有效介电常数。λ_g/4是70.71Ω四分之一波长变换器9的长度。

由于微带线的宽度和阻抗成反比，不同的宽度对应的阻抗也不同。可以理解的是，如果没有特殊说明，微带线的长度和形状是可以灵活调整的，例如，100Ω第二微带线8是直线型，宽度为0.42mm，而100Ω第四微带线11为弯曲型，宽度也为0.42mm。另外，在具体实施中，可以根据实际需求设定阵列天线的尺寸，例如设定天线阵元的尺寸以使得天线能够满足各种频段的要求，例如C频段，本实施例不再赘述。

为了让本领域技术人员更加清楚本实用新型提供的紧凑型定向阵列天线，下文中将给出该天线的具体工作过程。射频信号地板4的馈电连接槽15与馈电网络的射频信号输入端口6用于射频SMA接头的安装，其中SMA接头的内金属穿过馈电网络的射频信号输入端口6(馈电网络的射频信号输入端口6是一个过孔)与正面的馈电网络焊接在一起，SMA接头的外金属与地板(馈电连接槽15外的金属部分)焊接在一起，从而形成同轴馈电；射频信号通过SMA接头输入馈电网络，馈电网络将该输入信号进行四等分(由于馈电网络的射频信号输入端口6到各天线阵元5的微带线长度相等，所以馈电网络的4个射频信号输出端口相位相等且由T型功分器的特性可知馈电网络的4个射频信号输出端口的功率相等)，并输入到四个天线阵元5，天线阵元5再将射频信号向空中辐射出去，最终4个阵元辐射的电磁波在远场中实现耦合，从而形成定向辐射。具体的定向辐射角度主要由馈电网络的4个射频信号输出端口的输出功率和相位决定。

为了验证本实用新型所提供的紧凑型定向阵列天线的有效性，进行了仿真。

图6为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的回波损耗图。如图6所示，该天线的工作中心频率为5.8GHz，工作频带为5.71GHz–5.9GHz，绝对带宽达到190MHz，且在5.8GHz处的回波损耗为-31.9dB，满足微多普勒效应传感器的要求。

图7为本实用新型实施例提供的一种紧凑型定向阵列天线的xz和yz截面上的增益方向图。如图7所示，实线对应xz平面，虚线对应yz平面。xz和yz截面上的增益方向图表明该阵列天线在θ＝±30°方向的辐射最强，最大后瓣小于-10dB，由这些数据可知，所设计阵列天线具有良好的定向辐射性能。

以上对本实用新型所提供的紧凑型定向阵列天线进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。