一种梳形串馈微带阵列天线论文和设计-董贵滨

全文摘要

本实用新型公开了一种梳形串馈微带阵列天线，涉及微带阵列天线技术领域；包括介质板、覆设于介质板底面的金属地板以及贴附于介质板顶面的贴片天线；其特征在于，所述贴片天线包括微带馈线、以及与所述微带馈线连接的若干个金属贴片，若干个金属贴片交错分布在所述微带馈线的左右两侧，所述贴片天线采用端点馈电的方式馈电。本实用新型的梳形串馈微带阵列天线结构简单，尺寸较小，能够有效实现阵列天线的小型化的要求。

主设计要求

1.一种梳形串馈微带阵列天线，包括介质板、覆设于介质板底面的金属地板以及贴附于介质板顶面的贴片天线；其特征在于，所述贴片天线包括微带馈线、以及与所述微带馈线连接的若干个金属贴片，若干个金属贴片交错分布在所述微带馈线的左右两侧。

设计方案

2.根据权利要求1所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述金属贴片分为两组贴片单元，两组贴片单元沿所述微带馈线依次设置，每组贴片单元的所述金属贴片服从副瓣电平25dB的幅度泰勒加权分布，所述金属贴片为矩形贴片，所述金属贴片垂直于所述微带馈线设置。

3.根据权利要求2所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，两组贴片单元以所述微带馈线上的一点为对称中心呈中心对称分布。

4.根据权利要求3所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，每组贴片单元中，至少一个金属贴片为具有若干个梳齿的梳状矩形贴片，所述梳状矩形贴片的梳齿垂直于所述微带馈线。

5.根据权利要求4所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，每组贴片单元的金属贴片数量为五个，每组贴片单元中沿所述微带馈线的端部到所述对称中心方向设置的金属贴片的结构依次为：一矩形贴片、一具有两个梳齿的梳状矩形贴片、一具有三个梳齿的梳状矩形贴片、两个具有四个梳齿的梳状矩形贴片。

6.根据权利要求4或5所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述梳状矩形贴片的梳齿的宽度为0.45mm～0.55mm，两梳齿间的窄缝隙的宽度为0.2mm。

7.根据权利要求1～5任意一项所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述微带馈线包括若干个顺次连接的子馈线单元，其中位于所述微带馈线的两端的子馈线单元为端部子馈线单元，其他的子馈线单元为中部子馈线单元，除设置于微带馈线尾端的端部子馈线单元外，其它各子馈线单元分别与一个金属贴片对应连接，所述中部子馈线单元的两端的相位差为180度。

8.根据权利要求7所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述中部子馈线单元的长度为二分之一波长。

9.根据权利要求1～5任意一项所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述介质板为厚度为0.254mmRogers 4350板材；所述金属地板为厚度为0.035mm的铜层；所述贴片天线厚度为0.035mm。

10.根据权利要求1～5任意一项所述的梳形串馈微带阵列天线，其特征在于，所述梳形串馈微带阵列天线的馈电方式为采用所述微带馈线的尾端部馈电。

设计说明书

〖技术领域〗

本实用新型涉及微带阵列天线技术领域，特别是涉及一种梳形串馈微带阵列天线。

〖背景技术〗

微带阵列天线是无线通信和雷达系统中常用的一种天线形式，因其具有易加工，易共形，剖面小以及低损耗等特点，被广泛应用于各个领域。随着智能驾驶的兴起，车载毫米波雷达传感器因其具有良好的环境适应性而备受关注。车载毫米波雷达应用中对天线设计的具有较高的要求，特别是在前向和后向防撞雷达上要求天线具有高增益、窄波束和低旁瓣等特点。目前常用的技术是通过进行天线组阵的设计来压缩波束宽度、提高增益和降低副瓣，但是随着天线阵列单元数的增加，同时也会带来增加产品体积的问题。因此在车载毫米波雷达有限的口径尺寸中如何有效的设计天线使其达到较好的性能是当前研究的一大热点。

在现有的技术文献中，授权公告号为CN206364177U的中国实用新型专利公开了一种串馈微带阵列天线，该实用新型通过串联12个辐射贴片进行中心馈电；辐射贴片为矩形且每个辐射贴片采用馈线从辐射贴片的中间进行串馈电，相邻两片辐射贴片之间间距等于二分之一个波长，以此使得每个辐射贴片上的电流相位相同，不过这样的串馈微带阵列天线的馈线长度较长，在布局时会导致PCB印制板的尺寸较大。

公开号为CN107706513A的中国发明专利申请公开一种具有周期性交错短截线结构的微带漏波天线，采用金属短截线周期性地交错排列在金属传输线的两侧且与金属传输线相连；金属短截线为平面矩形结构。该结构虽然能够有效的减少天线的面积尺寸，但是因为微带矩形贴片天线的辐射增益与矩形贴片天线辐射边的长度成正比，所以专利中所提供技术的金属短截线辐射边较窄，单一短截线的辐射增益较低；同时该专利中所提的微带漏波天线并未对天线的副瓣电平进行压制。

专利文献(Raymond L.Lovestead，“低交叉极化微带贴片辐射器”US 6,577,276B2,2003)公开的一种低交叉极化的微带贴片天线，通过在矩形和圆形的微带辐射贴片上平行于天线极化的方向开出几个缝隙，以切断交叉极化的模式电流来实现抑制辐射贴片交叉极化的目的。但是在辐射边仍然会聚集较强的交叉模式电流，产生较高的交叉极化电平。

授权公告号为CN1941506B的中国发明专利，公开了一种非辐射边馈电的宽带双层矩形微带贴片天线，通过在辐射单元上方增加一层用缝隙切割后的寄生单元来增加天线带宽和抑制交叉极化。只是采用双层的贴片辐射会带来增加加工成本的问题，同样的在寄生单元上的缝隙没有切断辐射边，在未切断的部分依然存在交叉模式电流；而在辐射单元却没有采用缝隙切割交叉模式电流，这样辐射单元上会辐射水平和垂直两种极化模式。

〖实用新型内容〗

本实用新型旨在提供一种梳形串馈微带阵列天线，能够有效实现阵列天线的小型化的要求。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种梳形串馈微带阵列天线，包括介质板、覆设于介质板底面的金属地板以及贴附于介质板顶面的贴片天线；其特征在于，所述贴片天线包括微带馈线、以及与所述微带馈线连接的若干个金属贴片，若干个金属贴片交错分布在所述微带馈线的左右两侧，所述贴片天线采用端点馈电的方式馈电。

具体的，所述金属贴片分为两组贴片单元，两组贴片单元沿所述微带馈线依次设置，每组贴片单元的所述金属贴片服从副瓣电平25dB的幅度泰勒加权分布，所述金属贴片为矩形贴片，所述金属贴片垂直于所述微带馈线设置。

进一步地，两组金属贴片以所述微带馈线上的一点为对称中心呈中心对称分布；该对称中心设置于所述微带馈线的宽度的中间位置。

进一步地，每组贴片单元中，至少一个金属贴片为具有若干个梳齿的梳状矩形贴片，所述梳状矩形贴片的梳齿垂直于所述微带馈线设置；所述梳状矩形贴片是指外形轮廓为矩形，并且设置有梳齿的金属贴片。

具体的，每组贴片单元的金属贴片数量为五个，每组贴片单元中沿所述微带馈线的端部到对称中心方向设置的金属贴片的结构依次为：一矩形贴片、一具有两个梳齿的梳状矩形贴片、一具有三个梳齿的梳状矩形贴片、两个具有四个梳齿的梳状矩形贴片

具体的，所述梳状矩形贴片的梳齿的宽度为0.45mm～0.55mm，两梳齿间的窄缝隙的宽度为0.2mm。

进一步地，所述微带馈线包括若干个顺次连接的子馈线单元，其中所述微带馈线的两端的子馈线单元为端部子馈线单元，其他的子馈线单元为中部子馈线单元，除设置于微带馈线尾端的端部子馈线单元外，其它各子馈线单元分别与一个金属贴片对应连接，所述中部子馈线单元的两端的相位差为180度；具体的，为了有效的减少馈线的长度，中部子馈线单元的长度为二分之一波长时，其两端的相位差为180度。

具体的，所述介质板为厚度为0.254mmRogers 4350板材；所述金属地板为厚度为0.035mm的铜层；所述贴片天线厚度为0.035mm。

具体的，所述梳形串馈微带阵列天线的工作频段为24GHz～24.25GHz。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型所采用的矩形的金属贴片在微带馈线的两边左右交错分布，形成双边的梳形结构，由于相邻的金属贴片上设置在微带馈线的两侧，因此其激励电流本身是反相的，将金属贴片所连接的子馈线单元的两端口的相位差设置为180度(子馈线单元的长度二分之一波长)就可以使相邻两个金属贴片的电流同相，这样就可以大大减小微带馈线的总长度，使天线整体的尺寸减小，实现小型化；

(2)本实用新型是采用两组按副瓣电平25dB、幅度泰勒加权分布的金属贴片进行组阵来实现低副瓣、窄波束的性能，同时通过在将金属贴片沿着天线极化的方向切割成梳状矩形贴片，这样使拥有较宽辐射边的金属贴片能在工作频段内产生谐振，从而实现高增益的要求。

(3)本实用新型将金属贴片设置为梳形贴片，以此切断交叉模式电流，使天线实现高交叉极化隔离的性能。

〖附图说明〗

图1是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线的一个金属贴片以及其连接的子馈线单元的结构图；

图3是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线的贴片天线的结构图；

图4是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线的子馈线单元分割线示意图；(图中虚线处为各子馈线单元的分界处)；

图5是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线在工作频率为24.125GHz时的方位面和俯仰面的方向图；

图6是本实用新型实施例提供的梳形串馈微带阵列天线的交叉极化隔离度曲线图。

〖具体实施方式〗

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

如图1所示，一种梳形串馈微带阵列天线，包括介质板1、以及贴附于介质板1顶面处的贴片天线2、覆设于介质板1底面的金属地板3；介质板1所用材质为Rogers 4350板材，厚度为0.254mm；金属地板3的厚度为0.035mm；贴片天线2的厚度为0.035mm。

如图2、3所示，贴片天线2包括微带馈线21以及两组贴片单元，两组贴片单元沿微带馈线长度方向依次设置，每组贴片单元由5个按副瓣电平25dB、幅度泰勒加权分布的金属贴片20组成，每个金属贴片20均为矩形；两组共10个金属贴片20在微带馈线21的两边左右交错分布，形成双边的梳形结构，所述梳形串馈微带阵列天线采用端点馈电的方式，即使用微带馈线21的尾端延伸馈电。

本实施例中，如图3所示，两组贴片单元以微带馈线21上的一个对称中心点22为对称中心呈中心对称设置，如图3所示，10个金属贴片20的编号从顶端开始依次为a9、a8、a7、a6、a5、a4、a3、a2、a1、a0；其中编号为a9、a8、a7、a6、a5为一组贴片单元，编号为a4、a3、a2、a1、a0的金属贴片20为另一组贴片单元；由于两组贴片单元呈中心对称设置，因此编号为a0与a9、编号为a1与a8、编号为a2与a7、编号为a3与a6、编号为a4与a5的金属贴片20分别以对称中心22呈中心对称设置，对称中心22为微带馈线21沿宽度方向的中心线上一点。

参考图5，微带馈线21包括多个顺次连接的子馈线单元，图中虚线处为各子馈线单元的分界处，其中位于所述微带馈线的两端的子馈线单元为端部子馈线单元，其他的子馈线单元为中部子馈线单元；上述所述的端部子馈线单元分别指的是，与编号为a9的金属贴片连接的子馈线单元(顶端的端部子馈线单元)以及设置于微带馈线尾端的子馈线单元(尾端的端部子馈线单元，即用于延伸馈电的子馈线单元)；除设置于微带馈线尾端的端部子馈线单元外，其它各子馈电单元分别与一个金属贴片20对应连接；各中部子馈线单元的长度Lg均为二分之一波长(参考图2)，保证了中部子馈线单元的两端的相位差为180度。

其中顶端的端部子馈线单元的顶端没有延伸，尾端的端部子馈线单元向外延伸馈电；在另一实施例中，顶端的端部子馈线单元的长度也可以设置为二分之一波长。

本实用新型所采用的金属贴片20在微带馈线21的两边左右交错分布，形成双边的梳形结构，因相邻的两个金属贴片20在微带馈线21左右放置，金属贴片20上的激励电流本身就是反相的，所以只需使得子馈线单元的两端的相位差为180度就可以使相邻两个金属贴片20上的电流同相，这样就可以减小微带馈线21的总长度，使阵列天线整体的尺寸减小，实现小型化。

如图3，编号为a9～a5的金属贴片20与编号为a0～a4的金属贴片20的结构尺寸、激励电流幅度比值一一对应相同；a0～a4金属贴片20归一化电流幅度分布具体为(a9～a5相同)：

I_{a0<\/sub>:I_{a1<\/sub>:I_{a2<\/sub>:I_{a3<\/sub>:I_{a4<\/sub>＝0.4170:0.5284:0.7085:0.8887:1。}}}}}

每一贴片单元中，至少一个金属贴片20垂直于辐射边均匀的开设有至少一条窄缝隙，所述窄缝隙从馈线21与金属贴片20连接处开始开设并切断辐射边，由此金属贴片20被切割为梳状矩形贴片；所述梳状矩形贴片是指金属贴片20为带有梳齿的贴片，并且其整体的外部轮廓为矩形；切断辐射边以此切断交叉模式电流提高天线交叉极化隔离度，同时使金属贴片20在工作频段内产生较强的谐振提高辐射增益。窄缝隙是顺着天线极化方向切割，因此不会影响金属贴片20的辐射增益。

因为贴片天线2的辐射增益与金属贴片20的辐射边长度有关，辐射边长度越长，天线的辐射增益越高。为了满足实际应用中高增益的需求，金属贴片20的辐射边长度应取得大些。为了使天线工作在频带(24～24.25GHz)内，需通过增加金属贴片20非辐射边的长度来匹配，这样会使得金属贴片20的面积变得很大；通过在金属贴片20顺着电流的方向切割成梳状矩形贴片，这样不用增加非辐射边的长度就可使金属贴片20在工作频带内产生谐振，从而实现高增益的要求。

优选的，如图2，微带馈线21的宽度为Wg＝0.2mm；缝隙的宽度Ws约为0.2mm，梳齿的宽度Wc＝(0.45～0.55)mm，更优选的Wc＝0.5mm(通过在商业仿真软件上仿真获知当辐射边长度在Wc＝0.5mm左右时，金属贴片在工作频带内谐振最大)。

本实施例中，各金属贴片20的尺寸参数如下表一所示，参考图2，表一中W为金属贴片20的宽度，L为金属贴片20的长度，单位为毫米；如图3，微带梳形阵列天线2的编号为a1和a8金属贴片20开设有一条窄缝隙，为具有两个梳齿的梳状矩形贴片；编号为a2和a7金属贴片20开设有两条窄缝隙，为具有三个梳齿的梳状矩形贴片；编号为a3、a4、a5和a6金属贴片20开设有三条窄缝隙，为具有四个梳齿的梳状矩形贴片；编号为a0和a9的金属贴片20没有开设窄缝隙(在其它实施例中，a0与a9微带贴片也可以开设有一条缝隙)。

表一

本实用新型对天线副瓣电平有进行压制的设计，通过获得幅度泰勒加权分布就可以确定每个金属贴片20辐射边的长度L，通过在金属贴片20上切割缝隙，使切割后的金属贴片20的梳齿的宽度Wc在0.5mm左右，切割缝隙的条数也是根据微带贴片辐射边长度L来进行调整。

图5给出了本具体实施中梳形串馈微带阵列天线在24.125GHz频率处的方位面及俯仰面方向图，其中phi＝0表示的是方位面方向图，phi＝90表示的是俯仰面的方向图；有图5可知其最大增益达到14.3dB，副瓣电平为17.8dB。从图6的交叉极化隔离度曲线图可以看出，在24GHz～24.25GHz的频段内，所希望的Ex极化电场和交叉极化电场Ecross的隔离度(图中Ex-Ecross)达到了35dB以上。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

设计图

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