專(zhuān)利名稱(chēng)：四種24.15GHz窄波束微帶陣列天線(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子信息和交通安全領(lǐng)域，提出四種成功設(shè)計(jì)的24.15GHz窄波 束微帶陣列天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
24.15GHz窄波束微帶陣列天線(xiàn)有許多應(yīng)用市場(chǎng)。典型的應(yīng)用有公路超速 管理用雷達(dá)；公路卡口管理用雷達(dá)；闖紅燈管理用雷達(dá)；汽車(chē)防撞和自主控制 雷達(dá)；機(jī)車(chē)測(cè)速雷達(dá)；雷達(dá)物位計(jì)、液位計(jì)；以及其他若干民用和軍用的雷達(dá) 和通信系統(tǒng)。從近毫米波到毫米波，使用微帶陣列天線(xiàn)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如低 價(jià)格、高性能、薄尺寸、易制作等等。雖然國(guó)外某些研究機(jī)構(gòu)和公司示出了一 些樣例，但尚無(wú)完整的設(shè)計(jì)方法報(bào)導(dǎo)。在交通安全領(lǐng)域中，Siemens、 Bosch、 Deuta為代表的歐洲制造商和美國(guó)Wavetnmix公司典型地采用串饋式微帶陣列 天線(xiàn)。這種天線(xiàn)容易實(shí)現(xiàn)單個(gè)E面窄波束，而實(shí)現(xiàn)雙面窄波束或針狀波束還缺 乏實(shí)例。俄羅斯OLVIA公司采用4單元組合的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)針狀波束，但無(wú) 完整的設(shè)計(jì)方法報(bào)導(dǎo)。本發(fā)明采用獨(dú)立自主研發(fā)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)圖樣與這些 廠商推出的天線(xiàn)不同，但所采用的方法很容易產(chǎn)生出符合應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)。在 科技文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的微帶陣列天線(xiàn)樣例，當(dāng)微帶貼片數(shù)目較多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)天線(xiàn)上饋 線(xiàn)損耗過(guò)大的問(wèn)題，需要附加專(zhuān)門(mén)的微波饋電線(xiàn)路以減小損耗。本發(fā)明所述的 4eX4.5n天線(xiàn)的貼片數(shù)達(dá)到524個(gè)，不需要附加的微波饋電線(xiàn)路，天線(xiàn)損耗仍然 較低，可以直接用于低價(jià)雷達(dá)系統(tǒng)。按照所采用的方法能夠做出更窄波束的天 線(xiàn)設(shè)計(jì)，但本發(fā)明中提出的設(shè)計(jì)考慮了實(shí)際的典型應(yīng)用需求，這對(duì)于控制天線(xiàn) 價(jià)格和適合民用市場(chǎng)非常重要。由于微帶陣列天線(xiàn)在相當(dāng)大一類(lèi)微波應(yīng)用系統(tǒng) 中占據(jù)技術(shù)核心的位置，本發(fā)明專(zhuān)利的目的在于提出四款成功設(shè)計(jì)的天線(xiàn)，它 們可以覆蓋相當(dāng)寬領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的天線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的微帶陣列天線(xiàn)。選擇了 4種典型的天線(xiàn)特 性，可以覆蓋大多數(shù)的應(yīng)用需求。用戶(hù)可以實(shí)際的應(yīng)用需求來(lái)選用這些天線(xiàn)。這4種天線(xiàn)分別具有以下特征
(1) 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)一3dB波束寬度，H面5.5、 E面6、 —10dB波束寬度 與一3dB波束寬度的比值《3;最大旁瓣電平《一15dB。
設(shè)計(jì)結(jié)果一3dB波束寬度5.2QX5.9Q，天線(xiàn)微波介質(zhì)板的外廓尺寸 166mmX148mm，金屬圖形的H面最大尺寸152±0.5是特征尺寸。輻射 單元個(gè)數(shù)為284個(gè)。所述天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣如圖1所示。
(2) 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)一3dB波束寬度，H面4 E面4.5 一10dB波束寬度 與一3dB波束寬度的比值《3;最大旁瓣電平《一15dB。
設(shè)計(jì)結(jié)果一3dB波束寬度3.95QX4.35G ，天線(xiàn)微波介質(zhì)板的外廓尺寸 212mmX196mm，金屬圖形的H面最大尺寸202.5 ±0.5是特征尺寸。輻 射單元個(gè)數(shù)為524個(gè)。所述天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣如圖2所示。
(3) 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)一3dB波束寬度，H面4 E面7 一10dB波束寬度與 一3dB波束寬度的比值《3;最大旁瓣電平《一15dB。
設(shè)計(jì)結(jié)果一3dB波束寬度4GX6.88、天線(xiàn)微波介質(zhì)板的外廓尺寸 216mmX132mm，金屬圖形的H面最大尺寸203 ±0.5是特征尺寸。輻射 單元個(gè)數(shù)為332個(gè)。所述天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣如圖3所示。
(4) 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)一3dB波束寬度，H面4 E面12.5人一10dB波束寬度 與一3dB波束寬度的比值《3;最大旁瓣電平《一15dB。
設(shè)計(jì)結(jié)果一3dB波束寬度3.95GX12.2G ,天線(xiàn)微波介質(zhì)板的外廓尺寸 216mmX151mm，金屬圖形的H面最大尺寸203 ±0.5是特征尺寸。輻射 單元個(gè)數(shù)為190X2個(gè)。此天線(xiàn)由兩個(gè)天線(xiàn)構(gòu)成，兩個(gè)天線(xiàn)中任何一個(gè)可 單獨(dú)使用，也可以合起來(lái)用于收發(fā)天線(xiàn)需要分離的場(chǎng)合，例如雙向測(cè)速 雷達(dá)。所述天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣如圖4所示。
(5)本發(fā)明中各個(gè)天線(xiàn)的輻射單元饋電具有特征。輻射單元與饋線(xiàn)的連接處不在輻射邊上，而是往貼片內(nèi)深入了一段距離，以減小輻射單元的輸入阻 抗。為了將輻射單元置于各個(gè)分支饋線(xiàn)之間的合理位置，同時(shí)保證單元饋
線(xiàn)需要的尺寸，對(duì)饋線(xiàn)進(jìn)行了彎折處理，如圖5所示。
本發(fā)明中的微帶陣列天線(xiàn)從總體上采用E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個(gè)輻 射單元均勻放置在分支饋線(xiàn)之間的位置；輻射單元的饋線(xiàn)深入貼片內(nèi)一定距離， 并對(duì)饋線(xiàn)進(jìn)行了彎折處理。本發(fā)明設(shè)計(jì)的天線(xiàn)中使用了契貝雪夫加權(quán)方法進(jìn)行 陣列上的功率分配設(shè)計(jì)，在保證足夠低的天線(xiàn)輻射旁瓣條件下，能夠獲得最窄 的主瓣寬度。同時(shí)，在輻射單元與饋線(xiàn)的匹配方面獲得了更完善的進(jìn)步。饋線(xiàn) 在保證微波功率匹配饋送的前提下，尺寸更加合理。這些進(jìn)步有利于降低天線(xiàn) 饋線(xiàn)產(chǎn)生的寄生輻射，降低輻射單元之間以及輻射單元和饋線(xiàn)之間的寄生耦合， 降低匹配不良造成的反射，提高天線(xiàn)的輻射效率。這些寄生效應(yīng)的降低，最大 的好處還在于能夠明顯地改善天線(xiàn)波束形狀，使得在波束主瓣兩側(cè)快速下降， 波束旁瓣電平更靠近理論計(jì)算預(yù)定的電平。這種天線(xiàn)如果用于交通安全管理測(cè) 速雷達(dá)中，對(duì)于改善測(cè)速雷達(dá)對(duì)各種車(chē)輛定位的一致性，改善雷達(dá)對(duì)擁堵車(chē)輛 的分辨性能，對(duì)克服鄰車(chē)道車(chē)輛干擾等均有重要意義。
本發(fā)明提出的幾種窄波束微帶陣列天線(xiàn)可以覆蓋相當(dāng)寬的微波雷達(dá)應(yīng)用市 場(chǎng)。同時(shí)，^:發(fā)明展示的天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣體現(xiàn)了若干新的設(shè)計(jì)概念，具體表明了 什么樣的微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以容易地實(shí)現(xiàn)針狀波束，輻射單元如何放置，如何進(jìn) 行匹配連接等問(wèn)題。這些結(jié)果對(duì)于推動(dòng)微帶陣列天線(xiàn)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步是 有益的。這些天線(xiàn)在微波雷達(dá)和通信市場(chǎng)上的應(yīng)用，將會(huì)取得的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效 益應(yīng)該是很積極的。


圖1 5.2GX5.9Q天線(xiàn)圖樣，其中外廓尺寸166mmX148mm是介質(zhì)板參考尺 寸，金屬圖形的11面最大尺寸152±0.5是特征尺寸。
圖2 3.95^X4.35Q天線(xiàn)圖樣，其中外廓尺寸212mmX 196mm是介質(zhì)板參考 尺寸，金屬圖形的H面最大尺寸202.5土0.5是特征尺寸。
圖3 4QX6.88°天線(xiàn)圖樣，其中外廓尺寸216mmX 132mm是介質(zhì)板參考尺 寸，金屬圖形的H面最大尺寸203土0.5是特征尺寸。
圖4 3.95Gxl2^天線(xiàn)圖樣，其中外廓尺寸216mmX151mm是介質(zhì)板參考 尺寸，金屬圖形的H面最大尺寸203土0.5是特征尺寸。
5圖5微帶天線(xiàn)貼片的饋線(xiàn)細(xì)節(jié)(局部示意圖)
具體實(shí)施例方式
幾種窄波束微帶陣列天線(xiàn)的設(shè)計(jì)考慮了實(shí)際的市場(chǎng)需求。其中5.5GX6G天線(xiàn) 的提出來(lái)源于公路超速管理的應(yīng)用需求，用來(lái)改進(jìn)目前正在使用的6GX7G天線(xiàn)。 5.5ax6a天線(xiàn)的尺寸擴(kuò)張不大，但能夠更好地滿(mǎn)足單車(chē)道監(jiān)測(cè)的要求。在公路卡 口管理中要求雷達(dá)提供車(chē)輛處于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)更準(zhǔn)確的位置信息，對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)的 波束寬度提出了更窄的要求。類(lèi)似的要求來(lái)源于闖紅燈管理系統(tǒng)。綜合這些要 求，為了能夠覆蓋大多數(shù)應(yīng)用目標(biāo)，同時(shí)不至于過(guò)高地提高天線(xiàn)價(jià)格，將天線(xiàn) 的波束寬度確定在4GX4.5G是合理的。在闖紅燈管理系統(tǒng)中，對(duì)于有2個(gè)直行道 的情況，這2個(gè)直行道可以共用一只雷達(dá)傳感器，但要求雷達(dá)波束在縱向很窄。 這樣的雷達(dá)傳感器可以使用波束寬度為4Gx7C的天線(xiàn)。當(dāng)雷達(dá)放置于路旁，用 于對(duì)多個(gè)車(chē)道進(jìn)行超速管理時(shí)，需要提供車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的方向信息。目前德國(guó)Robot 公司推出的測(cè)速雷達(dá)的波束寬度為5QX20Q，在本發(fā)明中提出一種3.95。X12.2Q 的雙天線(xiàn)，可以進(jìn)一步提高測(cè)速照相系統(tǒng)的性能。
除上述應(yīng)用外，本發(fā)明中提出的窄波束天線(xiàn)可以直接用于24GHz頻段的微 波測(cè)距系統(tǒng)、微波物位計(jì)和液位計(jì)、汽車(chē)前向防撞和自主控制雷達(dá)、機(jī)車(chē)測(cè)速 雷達(dá)、以及工作于24GHz頻段的微波通信系統(tǒng)，如寬帶城域通信系統(tǒng)。此外， 本發(fā)明給出的設(shè)計(jì)圖樣可以為其他微波頻段的微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供參考。
本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了仿真檢驗(yàn)。為了保證應(yīng)用要求的、優(yōu)于一15dB 的天線(xiàn)旁瓣電平，在設(shè)計(jì)中對(duì)理論計(jì)算的旁瓣電平給了一定的余量，選擇為 一20dB。考慮了降低工藝誤差對(duì)設(shè)計(jì)的影響，特別限制了最小使用線(xiàn)寬和間距。 考慮了理論計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)緊要的阻抗計(jì)算進(jìn)行了重新理論推導(dǎo)和更合 理的近似。同時(shí)限制了最大的使用線(xiàn)寬，這有利于保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和減 小寄生效應(yīng)。設(shè)計(jì)計(jì)算在計(jì)算機(jī)上充分自動(dòng)地進(jìn)行，只需要人工提供幾個(gè)可選 參數(shù)。通過(guò)理論預(yù)示的天線(xiàn)方向圖、波束寬度、旁瓣電平、最大和最小線(xiàn)寬的 合理性，可以容易地判斷是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及在未達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)該 如何調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)結(jié)果是天線(xiàn)圖樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)。將這些參數(shù)組織到一個(gè) 數(shù)據(jù)文件中。編寫(xiě)一個(gè)專(zhuān)用的LISP繪圖程序，可以利用商用的繪圖設(shè)計(jì)軟件立 即將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖樣。本發(fā)明中提供的設(shè)計(jì)圖樣是按照所陳述的 方法和步驟產(chǎn)生的。
權(quán)利要求
1、四種24. 15GHz窄波束微帶陣列天線(xiàn)，其特征在于采用E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個(gè)輻射單元均勻放置在分支饋線(xiàn)之間的位置；輻射單元的饋線(xiàn)深入貼片內(nèi)一定距離，并對(duì)輻射單元的饋線(xiàn)進(jìn)行了彎折處理。
2、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線(xiàn)中，外廓尺寸166mmX 148mm的天線(xiàn)， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸152mm±0.5mm，輻射單元個(gè)數(shù)為 284個(gè)。
3、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線(xiàn)中，外廓尺寸212mmX 196mm的天線(xiàn)， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸202.5mm土0.5mm，輻射單元個(gè)數(shù) 為524個(gè)。
4、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線(xiàn)中，外廓尺寸216mmX 132mm的天線(xiàn)， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸203mm土0.5mm，輻射單元個(gè)數(shù)為 332個(gè)。
5、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線(xiàn)中，外廓尺寸216mmX 151mm的天線(xiàn)， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸203mm土0.5mm，輻射單元個(gè)數(shù)為 190X2個(gè)。此天線(xiàn)為雙天線(xiàn)，可以拆成兩個(gè)天線(xiàn)單獨(dú)使用。
全文摘要
四種成功設(shè)計(jì)的24.15GHz窄波束微帶陣列天線(xiàn)，可以用于公路安全管理用測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)和工作于24GHz頻段的其他雷達(dá)和通信系統(tǒng)。采用了E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個(gè)輻射單元均勻放置在分支饋線(xiàn)之間的位置；輻射單元的饋線(xiàn)深入貼片內(nèi)一定距離，并對(duì)輻射單元的饋線(xiàn)進(jìn)行了彎折處理。采用了契貝雪夫加權(quán)的功率分配設(shè)計(jì)。輻射單元與饋線(xiàn)的匹配方面獲得了更完善的進(jìn)步。饋線(xiàn)在保證微波功率匹配饋送的前提下，尺寸更加合理。新設(shè)計(jì)降低了天線(xiàn)饋線(xiàn)產(chǎn)生的寄生輻射和其他寄生效應(yīng)，能夠明顯改善天線(xiàn)波束形狀和降低旁瓣電平，以及降低饋線(xiàn)損耗和提高天線(xiàn)的輻射效率。
文檔編號(hào)H01Q21/24GK101521314SQ20091008166
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者鄒謀炎 申請(qǐng)人:鄒謀炎