寬帶微帶天線和天線陣列的制作方法
【專利摘要】公開了一種寬帶貼片天線和天線陣列。該天線包括：矩形的介質(zhì)材料基板；輻射貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上；耦合貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離所述輻射貼片預(yù)定距離的位置；金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面與地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。利用上述方案，能夠在小尺寸的情況下提高寬帶微帶天線的方向性。
【專利說明】寬帶微帶天線和天線陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本申請涉及微帶天線,具體涉及寬帶天線【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在毫米波全息成像技術(shù)中，為了得到被測目標(biāo)三維圖像，必須通過一定帶寬的頻率掃描來獲取完整的數(shù)據(jù)信息。在掃描系統(tǒng)中，收發(fā)天線位于最前端，負(fù)責(zé)向被測物體發(fā)射信號(hào)并接收從被測物體反射回來的信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)集成的收發(fā)天線有以下幾點(diǎn)要求:(I)體積小，便與集成；(2)方向性強(qiáng)，主波束方向正對(duì)被測物體；(3)寬頻帶，滿足系統(tǒng)對(duì)頻率帶寬的要求。
[0003]在系統(tǒng)化集成中，對(duì)掃描收發(fā)天線有一系列的要求，從小型化、方向性、便于與系統(tǒng)整合等幾點(diǎn)綜合考慮，微帶天線是一個(gè)非常好的選擇。但普通的微帶天線帶寬普遍較窄，以電壓駐波比<2為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，相對(duì)帶寬一般< 10%。以頻率中心為30GHz的天線為例，電壓駐波比< 2的工作帶寬為3GHz，這樣的帶寬遠(yuǎn)不能滿足使用需求。
[0004]通常，微帶天線增加帶寬的幾種方式如下:(I)降低等效電路Q值:(2)增大介質(zhì)厚度，降低介質(zhì)介電常數(shù)L，增大介質(zhì)損耗角正切tgS等，這種方法使天線的損耗較大；
(3)附加寄生貼片，或采用電磁耦合等；(4)設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，但匹配網(wǎng)絡(luò)大大增加了天線尺寸；(5)利用陣列技術(shù)。
[0005]通過上述不同的方式展寬頻帶一般都要以體積的增大或效率的下降，同時(shí)不同方式的展寬頻帶也使得天線的方向圖發(fā)生相應(yīng)的變化。
[0006]毫米波寬帶天線已有多年的發(fā)展歷史，相應(yīng)的技術(shù)都有較完備的發(fā)展。但針對(duì)本文提出的方向性這點(diǎn)要求，同時(shí)擴(kuò)展頻帶并有較強(qiáng)的方向性的技術(shù)并不常見，一般的擴(kuò)展頻帶的方法中，常采用介質(zhì)板開槽或加入寄生貼片技術(shù)，這些技術(shù)只能解決天線的帶寬要求，其方向性較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]考慮到現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種尺寸小，并且方向性強(qiáng)的寬帶微帶天線和天線陣列。
[0008]在本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種寬帶貼片天線，包括:矩形的介質(zhì)材料基板；輻射貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上；耦合貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離所述輻射貼片預(yù)定距離的位置；金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面與地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬支撐件由銅形成。
[0010]優(yōu)選地,所述空氣層厚度為0.5mm_3.0mm。
[0011]優(yōu)選地,所述預(yù)定距離為0.4mm-0.5mm。
[0012]優(yōu)選地，所述I禹合貼片的長度為1.5mm-2.5mm,寬度為0.5mm-1.2mm。
[0013]優(yōu)選地，福射貼片的長度為4.0mm-5.0mm,寬度為2.0mm-3.0mm。
[0014]優(yōu)選地，所述寬帶貼片天線工作在K-Ka波段。
[0015]優(yōu)選地，所述的寬帶貼片天線還包括與所述耦合貼片連接的微帶饋線。
[0016]優(yōu)選地，所述金屬支撐件具體為銅板，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的兩邊。
[0017]優(yōu)選地，所述銅板的寬度為0.4mm-0.6mm。
[0018]在本發(fā)明的另一方面，提出了一種天線陣列，包括多個(gè)一維排列的如上所述的寬帶貼片天線。
[0019]在本發(fā)明的另一方面，提出了一種陣列天線，包括:矩形的介質(zhì)材料基板；多個(gè)輻射貼片，沿著所述介質(zhì)材料基板的長度方向間隔地排列，并且形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上；多個(gè)耦合貼片，與所述多個(gè)輻射貼片相應(yīng)地設(shè)置，每個(gè)耦合貼片形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離相應(yīng)輻射貼片預(yù)定距離的位置；金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面的邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面和地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。
[0020]利用上述方案，能夠在小尺寸的情況下提高寬帶微帶天線的方向性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面的附圖表明了本發(fā)明的實(shí)施方式。這些附圖和實(shí)施方式以非限制性、非窮舉性的方式提供了本發(fā)明的一些實(shí)施例，其中:
[0022]圖1示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的俯視圖；
[0023]圖2示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的右視圖；
[0024]圖3示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的正視圖；
[0025]圖4示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的底視圖；
[0026]圖5示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的沿著圖1所示方向的截面圖；
[0027]圖6示出了根據(jù)本申請實(shí)施例的微帶天線的駐波比示意圖；
[0028]圖7示出了根據(jù)本申請實(shí)施例的微帶天線在28GHz時(shí)的方向圖，紅色與藍(lán)色分別為 Phi = 0° 與 Phi = 90。；
[0029]圖8示出了根據(jù)本申請另一實(shí)施例的陣列天線的示意圖；
[0030]圖9示出了根據(jù)本申請另一實(shí)施例的波導(dǎo)喇叭陣列的俯視圖；
[0031]圖10示出了如圖9所示的波導(dǎo)喇叭陣列的截面圖；
[0032]圖11示出了收發(fā)天線的駐波比的示意圖；
[0033]圖12示出了陣列天線的方向圖；
[0034]圖13示出了未增加喇叭口陣列時(shí)陣列天線的隔離度；
[0035]圖14示出了增加了喇叭口陣列時(shí)陣列天線的隔離度。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。在以下描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解，闡述了大量特定細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是:不必采用這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)行本發(fā)明。在其他實(shí)例中，為了避免混淆本發(fā)明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
[0037]在整個(gè)說明書中，對(duì)“ 一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“ 一個(gè)示例”或“示例”的提及意味著:結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說明書的各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”、“一個(gè)示例”或“示例”不一定都指同一實(shí)施例或示例。此外，可以以任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出的項(xiàng)目的任何和所有組合。
[0038]為了獲得寬頻帶、方向性強(qiáng)且尺寸小的天線，本申請的一些實(shí)施例提出了一種寬帶貼片天線。該天線包括:矩形的介質(zhì)材料基板；輻射貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上；耦合貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離所述輻射貼片預(yù)定距離的位置；金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面與地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。上述實(shí)施例的天線工作在高頻率上(例如，中心頻率在K-Ka波段，毫米波天線)，并且相對(duì)帶寬在20 %以上，將主波束集中在天線上方的空間內(nèi)，使大部分能量能夠用于有效檢測。此外，該天線尺寸小，例如天線尺寸與工作波長相當(dāng)。
[0039]圖1、圖2、圖3、和圖4分別示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的俯視圖、右視圖、正視圖和底視圖。如圖1所示，該天線包括舉行的介質(zhì)材料基板110、輻射貼片120、耦合貼片130。如圖3所示，該天線采用增加空氣層160介質(zhì)及電磁耦合的方式擴(kuò)展帶寬，采用50歐姆微帶線邊饋。
[0040]如圖所示，輻射貼片120形成在介質(zhì)材料基板110的上表面上。耦合貼片130形成在介質(zhì)材料基板110的上表面上，從介質(zhì)材料基板110的一邊延伸到距離輻射貼片120預(yù)定距離的位置。金屬支撐件140設(shè)置在介質(zhì)材料基板110的下表面，并且從介質(zhì)材料基板110的下表面邊緣附近向下延伸接地150，在介質(zhì)材料基板110下表面與地之間形成預(yù)定厚度ha的空氣層160。
[0041]在一些實(shí)施例中，介質(zhì)材料基板110采用ROgers5880的介質(zhì)材料，厚度范圍為0.2mm-0.4mm，優(yōu)選為0.254mm，介電常數(shù)ε大于2，優(yōu)選為2.2，損耗角正切為0.0009。介質(zhì)材料基板長6.5mm-8.5mm,優(yōu)選為7.8mm,寬優(yōu)選為6.1mm。
[0042]在一些實(shí)施例中，空氣層160的厚度ha為0.5mm_3.0mm，優(yōu)選為1.0mm。耦合貼片130 的長度 Ipl 為 1.5mm-2.5mm,優(yōu)選為=1.9mm,寬度 wpl 為 0.5mm-1.2mm,優(yōu)選為 0.8mm。福射貼片120的長度Ip為4.0mm-5.0mm,優(yōu)選為2.7mm,寬度wp為2.0mm-3.0mm,優(yōu)選為4.5mm。饋電貼片120與稱合貼片130間距離d為0.4mm-0.5mm,優(yōu)選為0.45mm。此外，介質(zhì)材料層160背面設(shè)置有支撐件,具體為銅板,其寬度為0.4mm-0.6mm,優(yōu)選為0.5mm,這一方面對(duì)介質(zhì)材料層110起到支撐作用，同時(shí)在安裝時(shí)保證良好的接地性。
[0043]圖5示出了根據(jù)本申請一個(gè)實(shí)施例的微帶天線的沿著圖1所示方向的截面圖。如圖5所示，金屬支撐部件140設(shè)置在介質(zhì)材料層下表面的邊緣，并且向下延伸(圖5的剖面圖中向右延伸)。
[0044]圖6示出了根據(jù)本申請實(shí)施例的微帶天線的駐波比示意圖。如圖2所示，天線的VSffR < 2的阻抗帶寬1GHz (23GHz-33GHz)，中心頻率為28GHz，相對(duì)帶寬為35.7%，達(dá)到了超寬帶天線的要求。圖7示出了根據(jù)本申請實(shí)施例的微帶天線在28GHz時(shí)的方向圖，實(shí)線與虛線分別為Phi= 0°與Phi = 90°。從圖7可以看出，天線主波束位于福射面正上方，符合應(yīng)用要求。
[0045]雖然上面結(jié)合了具體的尺寸來制作天線，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以可通過適當(dāng)更改參數(shù)值來改變中心頻率及相對(duì)帶寬。
[0046]以上描述的是單個(gè)微帶天線的結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將其形成為天線陣列。圖8示出了根據(jù)本申請另一實(shí)施例的陣列天線的示意圖。如圖8所示，該天線陣列可以為發(fā)射天線或接收天線。在一些實(shí)施例中，天線陣列包括多個(gè)一維排列的如圖1所示的寬帶貼片天線。在其他實(shí)施例中，也可以給多個(gè)上述的貼片天線設(shè)置單一的金屬支撐件。
[0047]在一些實(shí)施例中，提供了一種陣列天線，包括矩形的介質(zhì)材料基板，將多個(gè)輻射貼片和多個(gè)耦合貼片相應(yīng)地設(shè)置在介質(zhì)材料基板的上表面。例如，多個(gè)輻射貼片沿著介質(zhì)材料基板的長度方向間隔地排列，并且形成在介質(zhì)材料基板的上表面上。多個(gè)耦合貼片與多個(gè)輻射貼片相應(yīng)地設(shè)置，每個(gè)耦合貼片形成在介質(zhì)材料基板的上表面上，從介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離相應(yīng)福射貼片預(yù)定距離的位置。該陣列天線還包括金屬支撐件，設(shè)置在介質(zhì)材料基板的下表面，并且從介質(zhì)材料基板的下表面的邊緣附近向下延伸接地，在介質(zhì)材料基板下表面和地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。按照這樣的方式，可以形成具有多個(gè)寬帶貼片天線的天線陣列。
[0048]發(fā)射天線和接收天線之間的隔離度通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的指標(biāo)。當(dāng)隔離度較低時(shí)，發(fā)射信號(hào)會(huì)串?dāng)_到接收信號(hào)中的信號(hào)強(qiáng)度較高，通信質(zhì)量相應(yīng)降低。通常，天線隔離度是指一個(gè)天線發(fā)射信號(hào)，通過另一個(gè)天線接收的信號(hào)與該發(fā)射天線信號(hào)的比值。
[0049]為了提高隔離度，可以在收發(fā)天線之間的電磁耦合通道上設(shè)置障礙阻擋電磁耦合，或者采用雙工狀態(tài)的收發(fā)天線，發(fā)射與接收分別采用正交線極化或正交圓極化。此外，還可以在收發(fā)天線之間增加另外一個(gè)耦合通道，使其與原耦合信號(hào)抵消。
[0050]在一些實(shí)施例中，可以給上述的毫米波微帶天線陣列設(shè)計(jì)與之匹配的波導(dǎo)喇叭輻射器，在保證原有收發(fā)天線的寬帶及方向性的基礎(chǔ)上，提高收發(fā)天線的隔離度。
[0051]在一些實(shí)施例中，天線陣列中的單個(gè)天線采用上述增加空氣介質(zhì)層和電磁耦合的方式擴(kuò)展帶寬，并且采用50歐姆微帶線邊饋。整體系統(tǒng)采用一維天線陣列，天線中心間距為8.0mm-15.0mm,優(yōu)選為10.4mm,收發(fā)天線之間相對(duì)位置如圖8所示，收發(fā)天線垂直間距為20mm-40mm,優(yōu)選為30mm,水平相對(duì)位置為4.0mm-6.0mm,優(yōu)選為5.2mm,天線陣列的工作狀態(tài)為單收單發(fā)。
[0052]天線陣列中的微帶天線可以按照如圖1所示的實(shí)施例來設(shè)計(jì)。與所述天線陣列匹配的喇叭輻射器包括矩形波導(dǎo)和喇叭。例如，在一些實(shí)施例中輻射器的喇叭口由一段矩形波導(dǎo)及喇叭本身組成。矩形波導(dǎo)尺寸與對(duì)應(yīng)的微帶天線的貼片尺寸一致。
[0053]如圖9和10所示，在一些實(shí)施例中，提供了一種波導(dǎo)喇叭陣列。在矩形金屬板211上，沿著矩形金屬板211的長度方向加工出的截面為矩形的多個(gè)孔，每個(gè)孔下段形成矩形波導(dǎo)214，每個(gè)孔的上段形成喇叭口 213。在矩形金屬板的上表面上那些孔的兩側(cè)形成預(yù)定深度的沿著多個(gè)孔的排列方向延伸的溝槽212。例如，喇叭高度為10mm-14mm，優(yōu)選為13mm，喇叭口寬度與波導(dǎo)寬度一致，喇叭口長9-12mm，優(yōu)選為11mm。在喇叭陣列兩側(cè)加上兩個(gè)2mm寬的金屬壁，其中兩側(cè)的金屬槽對(duì)稱，對(duì)稱的金屬槽使加上波導(dǎo)喇叭口后的天線方向圖保持對(duì)稱。
[0054]此外，在溝槽212中形成多個(gè)螺紋孔(未示出)，以將波導(dǎo)喇叭陣列與天線陣列耦接。在一些實(shí)施例中3、如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)喇叭陣列，其中溝槽212的寬度為
3.0mm-5.0mm,優(yōu)選 4mm,深 8.0mm-1 2.0mm,優(yōu)選 10mnin
[0055]圖11和圖12分別為收發(fā)天線的駐波比和天線方向圖，圖13和圖14分別為增加喇叭口陣列前后的天線隔離度對(duì)比。從圖11圖12可以看出，增加了波導(dǎo)喇叭口后的天線仍然保持了寬頻帶、主波束方向集中、尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，VSWR < 2的帶寬為22.8GHz-30.5GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到28.9%。從圖13和圖14的對(duì)比可以看出，波導(dǎo)喇叭口陣列使得隔離度增加5-10dB?？偟膩碚f這種新型的喇叭口陣列很好的達(dá)到了提高隔離度的目的。
[0056]可見，根據(jù)上述實(shí)施例的微帶天線具有體積小，便于集成的優(yōu)點(diǎn)。并且上述將微帶天線與波導(dǎo)喇叭輻射器結(jié)合的實(shí)施例，使天線在帶寬、方向性等方面保持良好的性能，同時(shí)提高系統(tǒng)收發(fā)天線的隔離度。
[0057]雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶貼片天線，包括: 矩形的介質(zhì)材料基板， 輻射貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上； 耦合貼片，形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離所述輻射貼片預(yù)定距離的位置； 金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面與地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述金屬支撐件由銅形成。
3.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述空氣層厚度為0.5mm-3.0mm。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述預(yù)定距離為0.4mm-0.5mm。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述耦合貼片的長度為1.5mm-2.5mm,寬度為 0.5mm-1.2mm。
6.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中福射貼片的長度為4.0mm-5.0mm,寬度為2.0mm-3.0mnin
7.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述寬帶貼片天線工作在K-Ka波段。
8.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，還包括與所述耦合貼片連接的微帶饋線。
9.如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線，其中所述金屬支撐件具體為銅板，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的兩邊。
10.如權(quán)利要求9所述的寬帶貼片天線,其中所述銅板的寬度為0.4mm-0.6mm。
11.一種天線陣列，包括多個(gè)一維排列的如權(quán)利要求1所述的寬帶貼片天線。
12.—種天線陣列，包括: 矩形的介質(zhì)材料基板， 多個(gè)輻射貼片，沿著所述介質(zhì)材料基板的長度方向間隔地排列，并且形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上； 多個(gè)耦合貼片，與所述多個(gè)輻射貼片相應(yīng)地設(shè)置，每個(gè)耦合貼片形成在所述介質(zhì)材料基板的上表面上，從所述介質(zhì)材料基板的一邊延伸到距離相應(yīng)輻射貼片預(yù)定距離的位置； 金屬支撐件，設(shè)置在所述介質(zhì)材料基板的下表面，并且從所述介質(zhì)材料基板的下表面的邊緣附近向下延伸接地，在所述介質(zhì)材料基板下表面和地之間形成預(yù)定厚度的空氣層。
【文檔編號(hào)】H01Q21/24GK104377449SQ201310356878
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】趙自然, 陳志強(qiáng), 李元景, 吳萬龍, 劉以農(nóng), 楊潔青, 劉文國, 桑斌, 鄭磊 申請人:同方威視技術(shù)股份有限公司, 清華大學(xué)