扇形波束微带天线阵和雷达的制作方法

1.本实用新型涉及微带天线、雷达领域，特别是一种扇形波束微带天线阵和雷达。


背景技术：

2.微带贴片及其天线阵由于结构简单、成本低廉、易于加工、可以安装于设备表面而不占用额外空间等优点而广泛应用。但是，其缺点也非常明显，即频带窄，一般仅适用于对增益、带宽要求不高的设备。
3.对于窄波束天线，其窄波束方向对应的尺寸比较大，为了确保频带宽度，微带天线阵需要分成几小块微带天线子阵组成。由于天线是长条形结构，若采用微带功分器连接各微带天线子阵，则微带功分器到各个微带天线子阵的馈电点需要使用较长的微带馈电线连接，造成极大的传输损耗。因此，如何提供一种传输损耗小的扇形波束微带天线阵，以应用于无线电导航(g01s)、雷达等各方面，是目前亟待解决的一个技术问题。


技术实现要素：

4.本实用新型为解决上述技术问题，提出一种扇形波束微带天线阵，所述微带天线阵包括通过波导功分器a连接的微带天线子阵b；所述微带天线子阵b包括若干按照馈电网络排列而成的微带贴片b；所述微带贴片b包括：介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40；所述辐射贴片20位于所述介质基板10的上表面、所述接地面30位于所述介质基板10的下表面；所述微带馈电线40连接若干所述微带贴片b的辐射贴片20。
5.进一步地，所述微带贴片b为电磁耦合多层微带贴片；所述辐射贴片20，包括下辐射贴片21、上辐射贴片22和设置在所述下辐射贴片21与上辐射贴片22之间的耦合层23；所述微带馈电线40连接若干所述微带贴片b的下辐射贴片21。
6.进一步地，所述波导功分器a，设置在所述微带天线子阵b的背面。
7.进一步地，所述微带天线子阵b的数量为2的n次方；所述n为正整数。
8.进一步地，所述微带天线子阵b之间采用并联方式；所述微带天线子阵b内部采用串联方式。
9.进一步地，所述波导功分器(a)的输出端口的单端波导同轴变换，根据每个所述微带天线子阵(b)的输入阻抗确定；
10.所述波导功分器(a)的输入端口的双端波导同轴变换，根据扇形天线输出同轴端口的特性阻抗确定。
11.进一步地，所述单端波导同轴变换，具体为调整同轴探针深入波导中的长度或/和波导短路面的位置；
12.所述双端波导同轴变换，具体为调整同轴探针深入波导中的长度或/和探针末端电容匹配段的直径或/和长度。
13.另一方面，本实用新型还提供一种雷达，包括上述任意的微带天线阵。
14.本实用新型提供的扇形波束微带天线阵和雷达，采用波导功分器a连接微带天线
子阵b，一方面能够降低损耗，提高增益；另一方面波导功分器a一般安装于微带天线子阵b的背面，不占用额外的面积，故天线口径没有额外的增加。因此本实用新型的扇形波束微带天线阵融合了微带天线阵结构简单、易加工以及波导功分器低损耗的优点，使得扇形波束的这种长条天线阵能够获得较高的增益，大大提高了扇形波束微带天线阵的性能。
附图说明
15.图1为本实用新型的扇形波束微带天线阵的微带贴片b的一个实施例的结构示意图；
16.图2为本实用新型的扇形波束微带天线阵的一个实施例的正视图；
17.图3为本实用新型的扇形波束微带天线阵的一个实施例的后视图；
18.图4为本实用新型的扇形波束微带天线阵的波导功分器的单端波导同轴变换的一个实施例的示意图；
19.图5为本实用新型的扇形波束微带天线阵的波导功分器的双端波导同轴变换的一个实施例的示意图；
20.图6为本实用新型的扇形波束微带天线阵的设计方法的一个实施例的流程图；
21.图7为本实用新型的扇形波束微带天线阵的设计方法的另一个实施例的流程图；
22.图8为本实用新型的单个微带贴片b的回波损耗图；
23.图9为本实用新型的8*2微带天线子阵b的回波损耗图；
24.图10为本实用新型的波导功分器的单端波导同轴变换的回波损耗图；
25.图11为本实用新型的波导功分器的双端波导同轴变换的回波损耗图；
26.图12为本实用新型的一分为二波导功分器的一个实施例的结构示意图；
27.图13为本实用新型的一分为二波导功分器的回波损耗图；
28.图14为本实用新型的波导功分器的输出输入幅度比图；
29.图15为本实用新型的16*2微带天线阵b的一个实施例的结构示意图；
30.图16为本实用新型的16*2微带天线阵b的回波损耗图；
31.图17为本实用新型的16*2微带天线阵b的方向图。
具体实施方式
32.如图1-5所示，本实用新型提供了一种扇形波束微带天线阵，包括若干通过波导功分器a连接的微带天线子阵b。其中，微带天线子阵b包括若干按照馈电网络排列而成的微带贴片b。该微带贴片b包括：介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40。辐射贴片20位于介质基板10的上表面、接地面30位于介质基板10的下表面；微带馈电线40连接若干微带贴片b的辐射贴片20。
33.在该实施例中，由于在几个波长之内波导传输线的损耗几乎可以忽略不计，因此相较于采用微带功分器的方式，本实用新型采用波导功分器a连接微带天线子阵b，一方面能够降低损耗，提高增益；另一方面波导功分器a一般安装于微带天线子阵b的背面，不占用额外的面积，故天线口径没有额外的增加。因此本实用新型的扇形波束微带天线阵融合了微带天线阵结构简单、易加工以及波导功分器低损耗的优点，使得扇形波束的这种长条天线阵能够获得较高的增益，大大提高了扇形波束微带天线阵的性能。
34.具体的：
35.1、波导功分器a：
36.如图2所示，波导功分器a，可选但不仅限于设置在微带天线子阵b的背面，通过探针把波导中的高频能量引入微带馈电线40。更为具体的，波导功分器a，可选但不仅限于包括波导功分器的单端波导同轴变换(图4)和波导功分器的双端波导同轴变换(图5)。该单端波导功分器，用于连接波导与微带天线子阵a；双端波导功分器，用于天线的同轴输入端与波导连接。更为具体的，波导功分器a输出端口的数量可根据微带天线阵的预期指标要求而决定的微带天线子阵的数量决定。值得注意的，波导功分器a输出端口的数量，主要决定于扇形波束窄波束的波束角，其波束角越小，微带天线阵的长度将会越长，为了保证微带天线的频带宽度，这时整个天线阵则需要分成更多的子阵，相应的波导功分器则需要分配一一对应的更多输出数量。
37.2、微带天线子阵b：
38.微带天线子阵b的数量、馈电网络结构等，同样的可由本领域技术人员根据波束宽度、中心频率等预期指标而任意设定。优选的，微带天线子阵b的数量为2的n次方；n为正整数(波导功分器输出端口的数量与之一致)。更为优选的，各微带天线子阵b之间采用并联馈电方式连接，各微带天线子阵b内部采用串联馈电方式连接。
39.3、微带贴片b：
40.微带贴片b的数量、基本参数等可由本领域技术人员根据波束宽度、中心频率等预期指标而任意设定。更为优选的，如图1所示，微带贴片b为电磁耦合多层微带贴片；辐射贴片20，包括下辐射贴片21、上辐射贴片22和设置在下辐射贴片21与上辐射贴片22之间的耦合层23(可选但不仅限于采用空气层或者低介电常数泡沫层)；微带馈电线40连接若干微带贴片b的下辐射贴片21。在该实施例中，微带贴片b进一步优选为电磁耦合多层微带贴片，能够进一步增加单个微带贴片b的频带宽度，进一步优化波束宽度、中心频率等预期指标。
41.更为优选的，微带贴片b中，介质基板10、辐射贴片20、接地面30和微带馈电线40的材质、尺寸等可由本领域技术人员根据实际需求而任意设定。示例的，介质基板10可由本领域技术人员根据介质材料的介电常数、损耗角正切值等结合预期指标而自由选定，可选但不仅限于为fr4环氧树脂、聚四氟乙烯等国产介质基板，或高频响应特性更优良的rogers_r03003介质基板，以更有益于提高辐射频率和增益；辐射贴片20可选但不仅限于为金属贴片；接地面30可选但不仅限于为铜箔。更为具体的，介质基板10、辐射贴片20、接地面30、微带馈电线40的长度、宽度、厚度、间距等可由本领域技术人员根据实时需求而任意设定，组合而成单个微带贴片b。接着，微带贴片b按照并串组合级联馈电网络形成单个的微带天线子阵b，再通过波导功分器a连接而成本实用新型的扇形波束微带天线阵。
42.另一方面，如图6所示，本实用新型还在上述扇形波束微带天线阵的基础上，提供一种设计上述扇形波束微带天线阵的设计方法，包括：
43.s1：获取微带天线阵的性能参数和预期指标；
44.s2：根据预期指标，确定微带天线子阵b的数量、每个微带天线子阵b的辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量；
45.s3：根据微带天线子阵b的数量、每个微带天线子阵b的辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量确定微带天线阵的馈电网络；
46.s4：根据馈电网络，确定每个辐射贴片20的输入阻抗；
47.s5：根据输入阻抗、性能参数和预期指标，确定辐射贴片20的尺寸、位置和微带馈电线40的尺寸、位置；
48.s6：根据微带天线子阵b的数量，确定波导功分器a的输出端口的数量和类型；
49.s7：根据每个微带天线子阵b的输入阻抗，确定每个波导功分器a的输出端口的单端波导同轴变换；
50.s8：根据扇形天线输出同轴端口的特性阻抗，确定波导功分器a输入端口的双端波导同轴变换；
51.s9：将每个微带天线子阵b与对应的波导功分器a连接，形成微带天线阵。
52.在该实施例中，给出了基于本实用新型扇形波束微带天线阵的一个具体实施方法，涉及如何设置微带天线子阵b和波导功分器a，以及二者的结合，其技术效果与扇形波束微带天线阵一致，在此不再赘述。
53.更为优选的，如图7所示，本实用新型的设计方法，还包括：
54.s10：仿真验证微带天线阵，若微带天线阵满足预期指标，则验证成功，结束；若微带天线阵不满足预期指标，则验证失败，调整辐射贴片20的尺寸、位置；或/和微带馈电线40的尺寸、位置；或/和所述波导功分器a的输出端口的单端波导同轴变换；或/和所述波导功分器a的输入端口的双端波导同轴变换。以对基于上述设计方法设置而成的微带天线阵做仿真验证，确保其满足预期指标要求。
55.具体的，步骤s1中，性能参数可选但不仅限于包括介质基板10的相对介电常数εr；预期指标，可选但不仅限于包括天线阵的波束宽度和电磁波中心频率f。步骤s2，可选但不仅限于根据预期的波束宽度，确定微带天线子阵b的数量、每个微带天线子阵b的辐射贴片20在极化方向和正交方向的数量。步骤s3，可选但不仅限于根据该数量，确定并联、串联、串并结合等馈电网络。优选的，微带天线子阵b之间采用并联，微带天子子阵b内部采用串联。步骤s4，可选但不仅限于根据既定的馈电网络、同轴馈电点所要求的输入阻抗，确定分配至每个辐射贴片20所要求的输入阻抗。步骤s5，根据当前输入阻抗、性能参数和预期指标，确定辐射贴片20的宽度w、长度l、间距、与介质基板10边缘的距离等；和微带馈电线40的宽度wf、长度l
feed
；步骤s6，根据微带天线子阵b的数量，确定与之对应的波导功分器a输出端口的数量，并在波导与微带天线子阵b的连接处设置波导功分器的单端波导同轴变换；在波导与微带天线阵的同轴输入端的连接处设置波导功分器的双端波导同轴变换。步骤s7，根据既定的馈电网络、同轴馈电点所要求的输入阻抗，设计波导功分器a输出端口的单端波导同轴变换。步骤s8，根据扇形天线输出同轴端口的特性阻抗，设计波导功分器a输入端口的双端波导同轴变换。步骤s9，将微带天线子阵b和波导功分器a按照既定的馈电网络连接，形成微带天线阵。步骤s10，可选但不仅限于通过cst软件仿真验证当前设计的微带天线阵，若满足波束宽度的预期宽带指标要求，则表明验证成功，结束设计任务；若不满足波束宽度的预期宽带指标要求，则表明验证失败。可选但不仅限于，通过调整上辐射贴片21、下辐射贴片22的尺寸；上下贴片之间耦合层23(空气层/泡沫层)的厚度及微带馈电线40的宽度wf，以改进微带天线阵的各项性能指标，直至达到波束宽度的预期宽带指标要求，结束设计任务。
56.更为优选的，若验证失败，具体为减少微带馈电线40的宽度wf以增加阻抗，达到预期宽带指标要求。更为优选的，微带馈电线40的宽度wf可选但不仅限于控制在0.4-1.0mm之
间，以降低制造难度和制造成本。
57.更为优选的，步骤s5中可选但不仅限于采用公式(1)计算辐射贴片20的宽度w；采用公式(2)计算辐射贴片20的长度l；采用公式(3)计算微带馈电线40辐射的长度l
feed
。值得注意的，公式中的百分比仅为优化数值阈值，可由本领域技术人员根据实际需求任意设置或舍弃。
[0058][0059][0060][0061]
其中，w为辐射贴片的宽度，c为自由空间光速，f为电磁波中心频率，εr为介质基板的相对介电常数。
[0062]
为考虑印制板的制造精度，降低制造难度，微带馈电线宽度wf一般可选但不仅限于大于0.3mm，优选为0.4-1.0mm之间。然后，再通过仿真，根据仿真结果进行微调。具体的，减小微带馈电线宽度wf可以增加阻抗；加大微带馈电线宽度wf可以减小阻抗。
[0063]
更为优选的，若验证失败，还可选但不仅限于通过调整波导功分器a的同轴变换满足预期指标要求。更为优选的，单端功分器的同轴变换，可选但不仅限于调整同轴探针深入波导中的长度或/和波导短路面的位置；双端功分器的同轴变换，可选但不仅限于调整同轴探针深入波导中的长度或/和探针末端电容匹配段的直径或/和长度。
[0064]
具体的，为更好的解释本实用新型扇形波束微带天线阵的设计方法，下面以设计一组微带天线阵作示例说明：
[0065]
s1’：获取微带天线阵的性能参数和预期指标(示例的，波束宽度：e面方位面：10
°
；h面俯仰面：33
°
；电磁波中心频率：15.5ghz；频带：》1.5ghz；驻波：《2.0；增益：》22db)。
[0066]
s2’：根据预期指标，知道这是一个长条形的天线，其长度与宽度的比例大约是6倍左右。为保证天线阵的宽带特性，将天线在长度方向上分成两个微带天线子阵b(对应需要两个波导功分器a)，每个子阵在e面的波束宽度约10
°
。若使用微带矩形贴片来设计该微带天线子阵b，则每个微带天线子阵b的h面为2个辐射贴片20，e面为8个辐射贴片20。具体的，由于本天线的相对频带宽度约10％，常规的单层微带矩形贴片阵是不可能满足要求的，因此采用电磁耦合多层微带贴片(如图1所示)。
[0067]
s3’：把微带天线子阵b按照图2的方式构成一个8
×
2元微带天线阵，两个贴片一组为并馈连接，然后把8组并馈的贴片对使用波导功分器a串联连接。
[0068]
s4’：从输入阻抗的角度看，8
×
2元贴片阵中的16个贴片均为并联状态，若使用在馈电点两边采用集中匹配的方法，则阻抗变换需要从比较低的阻抗变换到同轴线的特性阻抗。为了减小集中匹配的阻抗变换压力，我们采取在每一个辐射贴片20的微带馈电线40上加入阻抗变换，提高单元贴片的输入阻抗，使同轴馈电点输入阻抗为50ω。
[0069]
s5’确定采用电磁耦合多层微带贴片，底层介质基板10厚度为0.508mm，附着于上的下辐射贴片21为正方形，边长为5.2mm、上辐射贴片22为正方形，边长为5.8mm、耦合层23
选用空气层，厚度为1.9mm，下层贴片通过电磁耦合激励上层贴片；微带馈电线40的宽度为0.8mm，特性阻抗为66.8ω。
[0070]
s6’：根据扇形宽带波束的要求，长条方向确定了两个微带天线子阵b，则对应确定两个波导功分器a对的输出口，波导与微带天线子阵b的连接处采用单端波导功分器，天线的同轴输入端到波导的连接处采用双端波导功分器。
[0071]
s7’、s8’：微带天线子阵为同轴馈电，天线的总馈电口也为同轴线，因此，对于波导功分器来说，我们只需要设计两种波导同轴变换。步骤s10’详解。
[0072]
s9’：将设计好的微带天线子阵b与波导功分器a组合，形成既定的扇形波束微带天线阵。
[0073]
s10’：cst仿真调节上述未定参数。预先给一初始值，再根据仿真结果微调。具体的，调节单个微带贴片b的尺寸、微带馈电线40的尺寸位置等，得到如图8所示的单个微带贴片b的回波损耗；组建8*2微带天线子阵b，得到如图9所示的回波损耗；调节单端波导功分器同轴探针深入波导中的长度或/和波导短路面的位置，得到如图10所示的回波损耗，回波损耗小于-20db的频带宽度为2.2ghz；调节双端波导功分器同轴探针深入波导中的长度或/和探针末端电容匹配段的直径或/和长度得到如图11所示的回波损耗，回波损耗小于-20db的频带宽度为2.2ghz。把两个单端波导功分器同轴变换与一个双端波导同轴变换连接起来，构成了一个同轴接口输入、输出的波导一分为二功分器，如图12所示，其回波损耗如图13所示，回波损耗小于-25db的频带宽度为2.1ghz。图14为波导功分器两个输出端口的输出与输入幅度比，从图中可以看出，在2ghz的频带内，输出与输入幅度比大于-3.05db。理想功分器的输出与输入幅度比为-3db，而此处设计的波导功分器的输出与输入幅度可以达到理想功分器的98.9％，这说明波导功分器a损耗非常小。
[0074]
把波导功分器a与两个同轴馈电的8
×
2元微带天线阵b连接起来，如图15所示。天线正面由两个8
×
2元微带天线阵b在长度方向连接而成，且两个子阵的贴片馈电方向相反，为了补偿相反的相位，波导馈电点必须偏离中心四分之一波导波长，以抵消h面的交叉极化，并且e面的方向图在两边也更加对称。天线背面为波导功分结构，实际上就是一段直波导，其上有三个同轴接口，一个为输入接口，另外两个为微带天线子阵的接口。由于波导功分器的回波损耗非常小，而且其频带远远超出天线的频带，故天线阵的回波损耗主要取决于天线子阵的回波损耗，大大优化了微带天线的各项指标。图16为其回波损耗曲线，回波损耗小于-10db的频带宽度为2.4ghz。图17为中心频率两个主平面的方向图，从方向图可知，e面(水平面)方向图基本是对称的。e面与h面的波束宽度分别为5.2
°
和31.5
°
，这是一个扇形波束。天线增益为23db，天线图形占用的尺寸为214.75
×
19.25平方毫米，由于微带天线图形与天线的安装边缘之间需要有一定的空间，实际天线的尺寸为230
×
35平方毫米。按照这个尺寸计算，天线的口面效率为74％，此效率在微带天线中是相当高的。该设计达到预期指标要求。值得注意的，上述示例仅为解释说明，并不对本实用新型侧馈的单层宽频微带天线阵的设计方法做任何限定。
[0075]
另一方面，本实用新型，还提供一种雷达，包括上述任意的微带天线阵。其实用新型宗旨与上述微带天线阵一致，其技术作用、有益效果以及技术特征的组合在此不再赘述。
[0076]
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。
[0077]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。