阵列天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种阵列天线。

背景技术：

对于阵列天线来说一般有两种馈电方式：串联馈电和并联馈电，所谓串联馈电是指天线单元之间是串联关系，通过调整各天线单元之间距离(即天线单元之间传输线长度)实现的激励相位相同，因此一旦频率偏移，各单元相移不同，波束指向不一样，天线带宽就会比较窄；而并联馈电可实现馈电点到各天线单元路径一样，各单元相位能够保证不随频率变化，波束指向保持不变，因此带宽较宽。

对于毫米波工作频段来说，频率高且受天线加工工艺及材料限制，传输线插损问题不能忽略，尤其是为提高增益采用多个阵元组成的阵列天线，并联馈电网络也将变得非常庞大，一是传输线变长引起的插入损耗变大，二是传输线需多次折弯或阻抗变换，造成阻抗不连续引起插入损耗变大。并联馈电虽然减少天线带宽损失，但是带来了辐射效率损失，降低了天线增益。

另一种能有效提升天线带宽的方法是大幅增加微带天线介质厚度，然而，过厚的基片会获得表面波模式，尤其是在介质板的介电常数较大的情况下，比基本工作模式更高的模式将会被激励，导致方向图出现畸变，且会出现较大的后瓣，导致波束聚集的效果不明显，降低天线整体增益。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种阵列天线。

一种阵列天线，所述阵列天线包括介质基板、设置于所述介质基板背面的参考地层及设置于所述介质基板正面的偶极子天线阵，

所述偶极子天线阵包括平行设置的第一天线阵元和第二天线阵元，所述第一天线阵元和所述第二天线阵元均包括若干等间距设置且串联连接的偶极子单元，所述第一天线阵元中的各偶极子单元与所述第二天线阵元中的各偶极子单元相对设置，各所述偶极子单元分别与所述参考地层连接，各所述偶极子单元通过微带传输线或共面波导实现馈电；

所述偶极子天线阵还包括设置于所述第一天线阵元和第二天线阵元之间的一馈电导线，所述馈电导线用于连接所述第一天线阵元和第二天线阵元。

在其中一个实施例中，所述第一天线阵元或第二天线阵元中相邻的两个偶极子单元之间的间距为λ，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。

在其中一个实施例中，所述第一天线阵元包括第一偶极子单元，所述第二天线阵元包括与所述第一偶极子单元相对设置的第二偶极子单元，所述第一偶极子单元与所述第二偶极子单元之间的间距为λ/2。

在其中一个实施例中，所述第一天线阵元、第二天线阵元均包括两个天线子单元，各所述天线子单元包括至少两个串联连接的形状、尺寸均相同的偶极子单元。

在其中一个实施例中，各所述偶极子单元均包括两条相对设置的第一金属导体和第二金属导体，所述第一金属导体与所述第二金属导体靠近的一端为接地端，所述第二金属导体与所述第一金属导体靠近的一端为馈电端。

在其中一个实施例中，所述第二金属导体与所述第一金属导体靠近的一端通过微带传输线或共面波导实现馈电。

在其中一个实施例中，所述阵列天线还包括：

第一连接线，用于将所述第一天线阵元中的各所述偶极子单元的微带传输线连接以实现各偶极子单元之间的串联设置。

在其中一个实施例中，所述阵列天线还包括：

第二连接线，与所述第一连接线平行，用于将所述第二天线阵元中的各所述偶极子单元的微带传输线连接以实现各偶极子单元之间的串联设置。

在其中一个实施例中，所述馈电导线连接在所述第一连接线和所述第二连接线的中部，所述馈电导线分别垂直于所述第一连接线和所述第二连接线。

在其中一个实施例中，所述阵列天线工作在毫米波频段。

上述阵列天线，通过在介质基板的背面放置一块参考地层作为反射面，可使得天线往参考地层相反的方向辐射，这样可增加天线收益，同时，通过使用微带传输线或共面波导将偶极子单元与介质基板连接，使得阵列天线可具有和微带天线一样的低剖面、易集成、易加工等优点，进一步地，通过采用串联馈电与并联馈电相结合的偶极子天线阵，可保证各个偶极子单元的激励相位差和波束指向一样，使得阵列天线合成后的波束更窄，增益也能越高。

附图说明

图1为一实施例中的偶极子天线阵的结构示意图；

图2为一实施例中的阵列天线的结构示意图；

图3为一实施例中的偶极子单元的结构示意图；

图4为一实施例中的阵列天线的增益图；

图5为一实施例中的阵列天线的s参数仿真图；

图6为一实施例中的偶极子单元的s参数仿真图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

与其它类型的天线相比，微带天线有结构简单、剖面低、重量轻以及容易与馈电网络或其它高频器件集成等优点，所以常常是毫米波雷达产品的首要选择。然而微带天线的辐射原理是通过贴片边缘与接地板之间的缝隙进行电磁辐射的，一般沿着馈电方向的上下两条缝隙参与辐射，也常称为一种缝隙二元阵天线。为减少微带传输线色散问题以及传输tem模式电磁波，微带天线选取的介质板厚度会远小于波长，所以微带天线的天线带宽也较窄，一般会小于工作带宽的3％。

车用毫米波雷达，通常采用结构简单成本较低，适合近距离探测的fmcw(调频连续波)雷达体制。雷达天线向外发射出一系列连续调频毫米波，频率随时间按调制电压的规律变化，一般采用连续的三角波，再接收目标反射回来的毫米波信号，通过比对两组信号(发射与接收)同频点(检测静止目标)的时间差来确定与目标之间的距离，或者两组信号的最高频点之间的频率差来确定与目标之间的相对速度。根据以上工作原理，我们可知采样点越多，计算出来的目标距离、速度或者相对角度则会更准确。所以高分辨率的雷达系统则要求有一个比较宽的工作带宽，而微带天线恰恰在天线带宽上有明显的劣势。

基于此，本申请希望能够提供一种能够实现较宽带宽，并且天线增益较高的天线，以下将以实施例的方式举例说明本申请的主要技术方案：

请参阅图1，为本申请所提供的一实施例中的偶极子天线阵的结构示意图。该偶极子天线阵可以包括第一天线阵元310，第二天线阵元320以及馈电导线330。其中，第一天线阵元310和第二天线阵元320平行设置，第一天线阵元310和第二天线阵元320均包括若干等间距设置并且串联连接的偶极子单元(图1未标示)，从图1中可以获知第一天线阵元310中的各偶极子单元与第二天线阵元320中的各偶极子单元相对设置。馈电导线330设置于第一天线阵元310和第二天线阵元320之间，用于连接第一天线阵元310和第二天线阵元320。也就是说，通过馈电导线330实现第一天线阵元310和第二天线阵元320之间的并联馈电。

上述偶极子天线阵，通过采用串联馈电加并联馈电的方式，相比传统的仅采用串联馈电会造成天线带宽变窄，波束指向不一样或者并联馈电会造成辐射效率损失和降低天线增益的方式来说，可以减少馈电网络的插入损耗，保证天线的增益。

进一步地，请参阅图2，为一实施例中的阵列天线的结构示意图。该阵列天线可以包括介质基板10，参考地层(图2未标示)以及前述所述的偶极子天线阵。其中，参考地层设置于介质基板10的背面，偶极子天线阵设置于介质基板10的正面，换句话说，参考地层和偶极子天线阵相对设置，介质基板10夹设于参考地层和偶极子天线阵之间。进一步地，偶极子天线阵中的第一天线阵元310和第二天线阵元320中的各个偶极子单元分别与参考地层连接，各个偶极子单元通过微带传输线或者共面波导实现馈电。上述阵列天线可工作在毫米波频段。

上述阵列天线，通过在介质基板的背面放置一块参考地层作为反射面，可使得天线往参考地层相反的方向辐射，这样可增加天线收益，同时，通过使用微带传输线或共面波导将偶极子单元与介质基板连接，使得阵列天线可具有和微带天线一样的低剖面、易集成、易加工等优点，进一步地，通过采用串联馈电与并联馈电相结合的偶极子天线阵，可保证各个偶极子单元的激励相位差和波束指向一样，使得阵列天线合成后的波束更窄，增益也能越高；进一步地，通过采用两组平行设置的天线阵元通过并联馈电的方式形成阵列天线，使得馈电网络位于两组天线阵元你的外侧，这样天线主瓣可指向天线平面的法向方向，避免了天线主瓣指向会往馈电网络相反的方向偏移。

结合图4和图5可以获知，本申请的阵列天线阻抗带宽虽比单阵元天线要窄一些，但仍然超过6ghz，满足超分辨率雷达带宽要求。

在一个实施例中，请继续参阅图2，第一天线阵元310或者第二天线阵元320中相邻的两个偶极子单元之间的间距可以为λ，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。通过将第一天线阵元310或者第二天线阵元320中相邻的两个偶极子单元之间的间距设置为λ，再通过微带传输线串联馈电，可使得各个偶极子单元之间的相位差为0，波束指向一致。

进一步地，请继续参阅图2，第一天线阵元310可以包括第一偶极子单元312，第二天线阵元320可以包括第二偶极子单元322，其中，第二偶极子单元322与第一偶极子单元312相对设置，本申请将第一偶极子单元312与第二偶极子单元322之间的间距设置为λ/2，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。

在一个实施例中，请继续参阅图2，第一天线阵元310和第二天线阵元320均可以包括两个天线子单元(图2未标示)，考虑到不同的频率下，其介质波长也不一样，因此在不同的工作频点下各偶极子单元的激励相位差会发生偏移，低于中心频点，所以越远离阵列天线馈电处偶极子单元的激励相位超前越多，高于中心频点，则越远离阵列天线馈电处阵元激励相位滞后越多，造成波束方向偏移。所以本申请将第一天线阵元310和第二天线阵元320中的各个天线子单元均包括至少两个串联连接的形状、尺寸均相同的偶极子单元。本申请采用四个形状、尺寸均相同的偶极子单元串联形成天线子单元。可以理解，对于天线子单元中偶极子单元的具体数量还可以根据本领域技术人员实际操作需要和产品性能进行选择和调整，在此不作进一步地限定。

在一个实施例中，请参阅图3，为一实施例中的偶极子单元的结构示意图。该偶极子单元可以包括两条相对设置的金属导体，分别为第一金属导体3002和第二金属导体3004，第一金属导体3002与第二金属导体3004靠近的一端为接地端，也就是与参考地层连接，可通过平面传输线s2与参考地层连接；第二金属导体3004与第一金属导体3002靠近的一端为馈电端，也就是与外部射频电路或射频芯片连接。进一步地，第二金属导体3004与第一金属导体3002靠近的一端通过微带传输线或共面波导实现馈电，也就是说，第二金属导体3004与第一金属导体3002靠近的一端通过微带传输线或共面波导与外部射频电路或射频芯片连接实现馈电。图3中，s1表示微带传输线。进一步地，第一金属导体3002和第二金属导体3004为扇形，并且第一金属导体3002的顶角和第二金属导体3004的顶角相对设置。可以理解，第一金属导体3002和第二金属导体3004还可以为菱形或者蝶形。采用扇形或者菱形或者蝶形来作为偶极子单元，相比传统的偶极子天线采用矩形或者线形来说，可具有比较好的带宽。更进一步地，第一金属导体3002和第二金属导体3004的长度为四分之一波长，也就是说λ/4。本申请中的偶极子单元的第二金属导体3004通过微带传输线s1与介质基板10连接，也就是说，偶极子单元由微带传输线s1馈电，相比传统微带天线的缝隙辐射，其天线口径更大，天线带宽也相应更大。

为了证明本申请偶极子单元能够实现较宽的带宽，请参阅附图6，为一实施例中的仿真阻抗匹配图。从仿真结果可以看出天线的回波损耗在-10db以下的阻抗带宽超过7ghz，相对带宽约为8％。相比一般的微带天线的相对带宽(3％)来说，实现了较宽的带宽。

在一个实施例中，请继续参阅图2，该阵列天线还可以包括第一连接线314，第一连接线314用于将第一天线阵元310中的各个偶极子单元的微带传输线连接以实现各个偶极子单元之间的串联设置。换句话说，第一天线阵元310中的串联馈电是通过将第一天线阵元310中的各个偶极子单元的微带传输线连接起来实现的。

在一个实施例中，请继续参阅图2，该阵列天线还可以包括第二连接线324，与第一连接线314平行，用于将第二天线阵元320中的各偶极子单元的微带传输线连接以实现各偶极子单元之间的串联设置。换句话说，第二天线阵元320中的串联馈电是通过将第二天线阵元320中的各个偶极子单元的微带传输线连接起来实现的。可以理解，这里的第一连接线314、第二连接线324可以是和微带传输线采用相同的材料制成的，同时，第一连接线314、第二连接线324的宽度可以和微带传输线的宽度相同。

进一步地，馈电导线330连接在第一连接线314和第二连接线324的中部，并且馈电导线330分别垂直于第一连接线314和第二连接线324。将馈电导线330设置在第一连接线314和第二连接线324的中部，也即是设置在第一天线阵元310和第二天线阵元320的中部，可以保证馈电点到各个偶极子单元的路径一样，各个偶极子单元的相位能够保证不随频率的变化，波束指向保持不变，因此能获得较宽的带宽。更进一步地，馈电导线330的宽度大于微带传输线或者第一连接线314或者第二连接线324的宽度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。