与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列的制作方法

本发明涉及天线阵列设计技术，尤其涉及一种与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列。
背景技术：
：自上世纪70年代以来，微带天线技术取得了较大的发展。微带天线，也叫做微带贴片天线，凭借其体积小、重量轻、性能多样化、低成本适合大规模生产等优点，已经得到了广泛的研究和应用。但是，在实际使用的过程中，微带天线同样存在着损耗较大、效率较低、单个天线功率容量较小、相对带宽较窄等缺陷，而且，介质基板的相对介电常数和厚度对天线的辐射效率及增益等影响非常大。2.4-2.5ghz的频段是在我们生活中应用十分广泛的一个频段，我们周围的蓝牙、无线网络都处于这个频段，在这个频段内，尤其是在无线电通信方面，微带天线能够具有更广泛的实用性和应用前景。技术实现要素：针对上述存在的不足，本发明提供一种与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列，其增益高、损耗小、且能够提高天线间的隔离度、增大天线的带宽、具有更广泛实用性。为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：一种与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列，包括依次相连的四单元微带天线阵列、微带一分四功分器和微带滤波器，所述微带一分四功分器的输入端口连接所述微带滤波器的输出端口，所述微带一分四功分器的输出端口给所述的四单元微带天线阵列进行馈电，所采用的馈电方法为同轴线馈电，所述微带一分四功分器的输入端口和四个输出端口、所述微带滤波器的输入端口和输出端口、所述的同轴线均具有相同的特性阻抗，所述四单元微带天线阵列的工作频段为2.4-2.5ghz。上述技术方案中，优选地，所述的四单元微带天线阵列包括微带天线介质基板以及位于所述微带天线介质基板上的四个微带天线单元，所述的微带天线介质基板选用厚度为3mm的fr-4基板，所述的四个微带天线单元在所述的微带天线介质基板上采用4×1的排列方式，各个所述微带天线单元均包括呈矩形的金属贴片，相邻两个金属贴片的中心间距相同，各个所述的金属贴片上均设置有一个馈电点，所述的馈电点在宽度方向位于金属贴片的中心、在长度方向与金属贴片的中心的距离为l1，所述微带天线介质基板在各个所述金属贴片的馈电点处开设有第一孔洞。上述技术方案中，进一步优选地，所述微带一分四功分器的介质基板选用厚度为1mm的fr-4基板，所述微带一分四功分器的介质基板的背面设置有功分器接地面，所述的微带一分四功分器由三个一分二威尔金森功分器组合而成，所述微带一分四功分器的输入端口和四个输出端口的特性阻抗均为50欧姆、四分之一波长匹配阻抗为70.7欧姆、隔离电阻r的阻值为100欧姆，相邻两个输出端口的中心间距与相邻两个金属贴片的中心间距相同，所述微带一分四功分器的介质基板在所述微带一分四功分器的各输出端口处开设有与所述第一孔洞大小相同的第二孔洞。上述技术方案中，更进一步优选地，所述微带滤波器的介质基板选用厚度为1mm的fr-4基板，所述微带滤波器的介质基板的背面设置有滤波器接地面，所述微带滤波器的输入端口和输出端口的特性阻抗均为50欧姆，所述微带滤波器的中心频率为2.45ghz。上述技术方案中，再进一步优选地，所述同轴线的特性阻抗为50欧姆，所述同轴线的直径与所述第一孔洞的直径之比为1:2.3。上述技术方案中，优选地，其特征在于，所述的微带滤波器选用平行耦合带通滤波器。上述技术方案中，优选地，其特征在于，所述同轴线馈电的方法如下：将四根所述同轴线的一端分别从所述微带天线介质基板的背面穿过相对应的第一孔洞且与相对应的金属贴片上的馈电点相连接，另一端从所述微带一分四功分器的介质基板背面穿过相对应的第二孔洞且与所述微带一分四功分器四个输出端口处的微带线相连接，再在所述的微带天线介质基板与所述微带一分四功分器的介质基板之间设置3mm厚的空气层，完成同轴线馈电。本发明与现有技术相比获得如下有益效果：四单元微带天线阵列的设计提高了微带天线的增益；通过微带一分四功分器来给天线阵列进行馈电，并采用同轴线馈电的方法，既降低了损耗、增大了天线单元间的隔离度，又增大了天线阵列的带宽；加入的微带滤波器能使天线阵列稳定地工作在2.4-2.5ghz的频段，提高了天线阵列的实用性。附图说明图1为四单元微带天线阵列的模型示意图；图2为微带一分四功分器的模型示意图；图3为平行耦合带通滤波器的模型示意图；图4为同轴线馈电方法的剖面结构示意图；图5为四单元微带天线阵列、微带一分四功分器以及平行耦合带通滤波器三个模型连接后的整体模型的正反面示意图；图6为四单元微带天线阵列回波损耗曲线仿真结果图；图7为各微带天线单元间的隔离度仿真结果图；图8为四单元微带天线阵列e面和h面的方向图。其中：1、金属贴片；2、微带天线介质基板；3、同轴线；4、功分器接地面；5、微带一分四功分器的介质基板；6、微带一分四功分器输出端的微带馈线；10、四单元微带天线阵列；11、馈电点；20、微带一分四功分器；30、微带滤波器。具体实施方式为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。实施例：本发明公开了一种与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列，参见图5，包括依次相连的四单元微带天线阵列10、微带一分四功分器20和微带滤波器30，微带滤波器30选用平行耦合带通滤波器，微带一分四功分器20的输入端口连接微带滤波器30的输出端口，微带一分四功分器20的四个输出端口给四单元微带天线阵列10进行馈电。本方案中主要运用的软件为hfss，其全称为highfrequencystructuresimulator，可以通过这款软件来创建本发明涉及的器件模型，并设置激励进行仿真调试，从而得出优化后的最佳参数。参见图1，四单元微带天线阵列10包括微带天线介质基板2以及位于微带天线介质基板2上的四个微带天线单元，微带天线介质基板2选用厚度为3mm的fr-4基板，四个微带天线单元在微带天线介质基板2上采用4×1的排列方式，各个微带天线单元均包括呈矩形的长为l宽为w的金属贴片1，相邻两个金属贴片1的中心间距相同记为d，各个金属贴片1上均设置有一个馈电点11，馈电点11在宽度方向位于金属贴片1的中心、在长度方向与金属贴片1的中心的距离为，微带天线介质基板2在各个金属贴片1的馈电点11处开设有第一孔洞。微带天线介质基板2的相对介电常数=4.4，以2.45ghz为中心频率，根据宽度计算公式：w=（1）式（1）中c为光在真空中的传播速度，计算式（1）得到金属贴片1的宽度w为37.26mm。再根据天线长度的计算公式：（2）式（2）中为等效介电常数，其计算公式为：（3）式（2）中δl为边缘效应引入的线伸长，其计算公式为：（4）将式（3）和式（4）代入式（2）中计算得到金属贴片1的长度l为28.22mm。关于每片金属贴片1上馈电点11的设置位置，当天线的输入阻抗为50欧姆时，馈电点11在宽度方向位于金属贴片1的中心，再根据公式：（5）可计算出馈电点11在长度方向与金属贴片1的中心距离为7mm。将所得的四个相同的矩形金属贴片1按4×1的排列方式组成微带天线阵列，根据线阵辐射原理，为了避免强耦合、考虑增益，阵元间距d（即相邻两个金属贴片1的中心间距）要大于半波长λ/2；为了压低副瓣，相邻两个金属贴片1的中心间距d要小于波长λ。由波长公式：（6）计算得λ为122mm，即61mm＜d＜122mm，通常情况下间距取λ/4的奇数倍，可以把天线的中心间距d设置为91.5mm。创建完成的四单元微带天线阵列10的模型如图1所示。微带一分四功分器20的介质基板选用厚度为1mm的fr-4基板，微带一分四功分器20的介质基板的背面设置有功分器接地面4，微带一分四功分器20由三个一分二威尔金森功分器组合而成，根据威尔金森功分器的特性，在等功率分配的情况下，一分二威尔金森功分器输入端口的特性阻抗和两个输出端口的特性阻抗、，以及四分之一波长匹配阻抗和隔离电阻的阻值r之间满足以下关系：（7）所以计算式（7）可得当输入和输出端口的特性阻抗均为50欧姆时，四分之一波长匹配阻抗为70.7欧姆，隔离电阻r的阻值为100欧姆。再根据微带线特性阻抗z的公式：（8）式（8）中由式（3）所得，计算式（8）得到特性阻抗为50欧姆的微带线宽度为1.9mm，特性阻抗为70.7欧姆的微带线宽度为1mm。根据算得的尺寸调整一分四功分器的模型，使得四个输出端口的两两间距同样为91.5mm，与四单元微带天线阵列10相对应，创建完成的微带一分四功分器20的模型如图2所示。微带滤波器30同样使用厚度为1毫米的fr-4基板，把其基板的背面设置为接地面。微带滤波器30选用平行耦合带通滤波器，从切比雪夫标准低通滤波器原型参数表中选择参数,,…,。根据滤波器的上下边频和以及中心频率，可以确定微带滤波器的带宽：(9)再通过带通指标计算下列参数:(10)式(10)中为微带滤波器30输入和输出端口的特性阻抗，将参数代入公式：(11)可计算出微带线的奇模、偶模特性阻抗，再根据式(8)来确定微带线的尺寸。最终创建完成的微带滤波器30的模型如图3所示，微带滤波器30呈中心对称，a和b的值分别对应各个微带线的长度和宽度，w的值表示两条微带线之间的间距，各参数的值由下表所示。a115mma216.72mma316.22mma416.17mmb11.9mmb21.3mmb32.41mmb42.44mmw10.23mmw21.06mmw31.66mm本方案采用同轴线馈电的方法，其同轴线3的特性阻抗同样为50欧姆。此方法需要在微带天线介质基板2的馈电点11处以及微带一分四功分器的介质基板5的各输出端口处进行打孔，微带天线介质基板2打的孔记为第一孔洞，微带一分四功分器的介质基板5打的孔记为第二孔洞，根据公式：（12）式(12)中r为第一孔洞和第二孔洞的半径，r为同轴线的半径，计算式（12）得出r和r的比为1:2.3。本方案所采用的同轴线直径为0.8mm，所以第一孔洞和第二孔洞的直径均为1.84mm。同轴线馈电的具体方式如图4所示，将四根同轴线3的一端分别从微带天线介质基板2的背面穿过相对应的第一孔洞且与相对应的金属贴片1上的馈电点11相连接，另一端从微带一分四功分器介质基板5背面穿过相对应的第二孔洞且与微带一分四功分器20四个输出端口处的微带线相连接，再在微带天线介质基板2与微带一分四功分器的介质基板5之间设置3mm厚的空气层，完成同轴线馈电。最后将微带一分四功分器20的输入端与微带滤波器30的输出端相连接，三个模型所组成的整体模型如图5所示。在微带一分四功分器20的输入端设置激励对整体模型进行仿真，所得的四单元微带天线阵列回波损耗曲线仿真结果如图6所示，各微带天线单元间的隔离度仿真结果如图7所示。由仿真结果可见，四单元微带天线阵列10的中心频率为2.45ghz，在2.4-2.5ghz的频段内，四单元微带天线阵列10的回波损耗低于-14db，各微带天线单元间的隔离度均优于-20db，四单元微带天线阵列10的带宽大于130mhz。仿真得到的四单元微带天线阵列10最大增益为13.34db，其e面和h面的方向图如图8所示。由以上结果可以清晰的看出，本发明通过设计与滤波器和功分器集成的四单元微带天线阵列，有效的降低了损耗，增大了天线阵列的带宽，并增大了各天线单元间的隔离度，对提高天线增益有着非常理想的效果。同时，天线阵列能够稳定地工作在2.4-2.5ghz的频段，有着较强的实用性。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12