本發(fā)明涉及電子領(lǐng)域，尤其涉及一種陣列天線結(jié)構(gòu)及設計方法。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車變得越來越普及，于此同時，頻發(fā)的道路交通事故迫使行車安全成為了一個廣泛關(guān)注的話題，作為汽車主動安全輔助駕駛系統(tǒng)關(guān)鍵部件的車載雷達成了學術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點。天線作為無線電子設備中的關(guān)鍵性期間，其性能將決定這整個無線電子設備的性能。

基片集成波導(substrate integrated waveguide，SIW)是一種可以集成于介質(zhì)基片中的新型導波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基片中按一定間隔排列多個金屬化通孔成為波導光滑側(cè)壁的替代結(jié)構(gòu)，從而與上下表面金屬圍成一個準封閉的導波結(jié)構(gòu)，保持了金屬波導的低插損、高功率容量等特點。基片集成波導已經(jīng)被成功的用于設計多種微波結(jié)構(gòu)，如基片集成波導天線、濾波器、雙工器、功分器等。

微帶線是微波領(lǐng)域傳統(tǒng)的傳輸線結(jié)構(gòu)，其具有的平面結(jié)構(gòu)特點使其廣泛的應用于微波與毫米波電路?，F(xiàn)代微波電路使用微帶線作為傳輸與連接結(jié)構(gòu)。

陣列天線因其具有高增益、可波束賦形等優(yōu)勢被應用于很多的場合，例如雷達、通信、導航等。陣列天線在雷達系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，雷達系統(tǒng)采用的天線方案對雷達的整體作用以及整體性能指標有著重要的影響，雷達有多種分類方式，按照作用距離主要可以分為遠距雷達、中距雷達和近距雷達，由于電磁波在空氣中傳播的距離越遠，損耗越大，所以作用距離越遠的雷達需要越高的鏈路增益，通過不同的天線增益來獲得不同的鏈路增益對于雷達系統(tǒng)設計而言是最經(jīng)濟有效的方法，一般為了保證雷達探測距離的要求，遠距雷達需要高增益的天線，中距雷達對于天線增益要求次之，近距雷達要求相對最低。大規(guī)模的陣列天線常常被用作高增益天線，而輻射單元及饋電網(wǎng)絡的設計是其中最重要的環(huán)節(jié)。串饋微帶天線因為結(jié)構(gòu)簡單，容易組陣等優(yōu)點在車載雷達系統(tǒng)得到廣泛的運用，已有設計和產(chǎn)品中常使用微帶線來設計饋電網(wǎng)絡，為了壓縮整個天線的尺寸，微帶T型結(jié)構(gòu)的功率分配器常被用來作為饋電網(wǎng)絡，并結(jié)合串饋微帶陣列來實現(xiàn)大的平面陣列，進而實現(xiàn)高增益。

但是，完全使用傳統(tǒng)的微帶線結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡存在著一些缺陷。

第一，大面積的微帶饋電網(wǎng)自身存在電磁輻射。當需要設計高增益的天線時，陣元的數(shù)目會比較大，此時饋電網(wǎng)的面積會相應增加，在工作頻率比較高時，尤其是毫米波頻段，大面積的微帶饋電網(wǎng)絡自身存在著比較大的電磁場輻射，可以看成一個輻射源，饋電網(wǎng)絡本身的輻射將對陣列天線的方向圖產(chǎn)生較大影響，突出表現(xiàn)為天線方向圖饋電網(wǎng)絡一邊將產(chǎn)生較大的副瓣。

第二，微帶T型結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡駐波和相位很難分開調(diào)節(jié)，設計難度比較大。常用的微帶T型結(jié)構(gòu)的饋電網(wǎng)絡在通路數(shù)比較多的情況下，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)時往往對駐波和各通道的相位均有影響，因此，調(diào)節(jié)時需要同時考慮駐波和相位的要求，大大增加了設計難度。

第三，對精度要求比較高。由于微帶線線寬較小，微帶線尺寸的的細微改變也會導致阻抗匹配情況的惡化，因此想要達到相關(guān)設計指標，對于PCB加工的精度要求比較高。

總之，使用微帶結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡來實現(xiàn)高增益天線時，饋電網(wǎng)絡本身的輻射將使得陣列天線的性能惡化，同時其設計的復雜性不利于提高工程人員的設計效率，而且較高的PCB精度要求有時候很難保證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種簡化設計方案，降低設計難度的可使用在車載雷達系統(tǒng)電路中的陣列天線結(jié)構(gòu)及設計方法。

為達到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種陣列天線結(jié)構(gòu)，包含饋電網(wǎng)絡和輻射子陣，其中饋電網(wǎng)絡包括功率分配器和多個移相器，其特征在于，所述功率分配器為基片集成波導T型功率分配器，所述移相器為混合基片集成波導與微帶線的組合結(jié)構(gòu)，所述T型功率分配器包括一個信號輸入端和并列設置的多個信號輸出端，在每個信號輸出端連接一個所述移相器，所述基片集成波導T型功率分配器輸出采用的基片集成波導的寬度與移相器輸入采用的基片集成波導寬度相等。

所述基片集成波導T型功率分配器的輸出各路采用等寬的片集成波導。

所述基片集成波導T型功率分配器為以中軸線為對稱軸的軸對稱結(jié)構(gòu)，輸出路數(shù)量為偶數(shù)，每個輸出路均通過感性窗將能量耦合出來，通過調(diào)節(jié)各個耦合窗口尺寸的大小以及各路耦合窗口外感性金屬化通孔位置來調(diào)節(jié)功率分配器的輸入端的駐波水平，以及各輸出路的輸出功率比。

從所述基片集成波導T型功率分配器對稱軸中心向兩邊輸出功率遞減。

所述移相器包含基片集成波導、微帶漸變線和50歐姆微帶線三個部分；其中，移相器中的基片集成波導和微帶線的長度由所要實現(xiàn)的相移決定，所要實現(xiàn)的相移與各個部分的長度的關(guān)系式由下式給出：

其中，為相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW為分別對應于50歐姆微帶線、微帶漸變線、基片集成波導的相移常數(shù)，β_ML和β_SIW可由上述相關(guān)公式求出，β_{ML_taper}可通過商用電磁仿真軟件計算得到相對精準的值，L_m為50歐姆微帶線的長度，L_mt為微帶漸變線長度，ε_r為使用的介質(zhì)基片的介電常數(shù)，可由板材供應商提供，ε_e為等效介電常數(shù)，h為介質(zhì)基片高度，W為50歐姆微帶線寬度，a_eff為對應于基片集成波導的等效波導的寬度，aSIW為基片集成波導寬度，d為金屬化通孔直徑，p為相鄰兩個金屬化通孔中心之間的距離，ξ₁～ξ₃為三個中間變量。

輻射子陣采用線性陣列的形式。

輻射子陣采用串饋微帶陣列的結(jié)構(gòu)，每個微帶貼片為矩形貼片形式，饋線寬度不變，饋線從矩形貼片的一邊中間饋入，從相對的另一邊的間穿出，處于饋電末端的微帶貼片饋線只饋入；微帶貼片沿著饋電方向的寬度相等，均為二分之一導波波長，相鄰兩個微帶貼片中心之間的距離為二分之一導波波長；微帶貼片沿著饋電垂直方向的寬度不相等，以滿足相關(guān)陣列綜合幅度分布的要求。

一種陣列天線結(jié)構(gòu)的設計方法，其特征在于，包含以下步驟:

步驟一，輻射子陣的設計；

步驟二，確定饋電網(wǎng)絡的輸出端口數(shù)目N：根據(jù)車載雷達水平面的波束寬度要求，確定水平面組陣所需要采用的輻射子陣個數(shù)N，這個數(shù)量便是饋電網(wǎng)絡的輸出端口數(shù)目；

步驟三，設計一路分N路的T型功率分配器：水平方向相鄰子陣的間隔為Dx,則選擇Dx作為輸出基片集成波導寬度，選擇長度為N×Dx的基片集成波導并將兩個端口用金屬化通孔堵上，作為T型功率分配器的橫臂，在其中一個側(cè)壁中間接入一個寬度合適，與橫臂垂直的基片集成波導作為輸入端口；將N個寬度為Dx的等長的輸出基片集成波導平行排列，相鄰基片集成波導共用一排金屬化通孔，在基片集成波導橫臂與輸入端口相對的側(cè)邊上分別開N個感性窗口，與對應的N個寬度為Dx的輸出基片集成波導分別相連；在基片集成波導橫臂中相應各個感性窗口外加入金屬化通孔，通過調(diào)節(jié)金屬化通孔的位置以及感性窗口的大小得到不同的功率分配比和滿足設設計要求的輸入駐波水平；

步驟四，設計饋電網(wǎng)絡：選擇設計好的T型功率分配器最邊緣的兩路作為參考基準，計算其他各路輸出與邊緣兩路的傳輸相位差，然后通過移相器進行相位調(diào)整，將各路傳輸相位調(diào)整為一致；移相器采用混合基片集成波導和微帶線的結(jié)構(gòu)；移相器采用基片集成波導的寬度與T型功率分配器采用的基片集成波導的寬度相同；在基片集成波導和微帶線總長度不變的情況下，通過調(diào)整基片集成波導和微帶線的相應長度來實現(xiàn)不同的相移；移相器中的基片集成波導和微帶線的長度與所要實現(xiàn)的相移的關(guān)系式由下式給出：

其中，為相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW為分別對應于50歐姆微帶線、微帶漸變線、基片集成波導的相移常數(shù)，β_ML和β_SIW可由上述相關(guān)公式求出，β_{ML_taper}可通過商用電磁仿真軟件計算得到相對精準的值，L_m為50歐姆微帶線的長度，L_mt為微帶漸變線長度，ε_r為使用的介質(zhì)基片的介電常數(shù)，可由板材供應商提供，ε_e為等效介電常數(shù)，h為介質(zhì)基片高度，W為50歐姆微帶線寬度，a_eff為對應于基片集成波導的等效波導的寬度，aSIW為基片集成波導寬度，d為金屬化通孔直徑，p為相鄰兩個金屬化通孔中心之間的距離，ξ₁～ξ₃為三個中間變量；

步驟五，將上面設計好的N個輻射子陣和饋電網(wǎng)絡連接起來，組成一個整體，便可以完成整個陣列天線的設計。在完成前可利用商用電磁仿真軟件進行細微的優(yōu)化。

所述輻射子陣設計的具體方法是：確定輻射子陣所采用的輻射單元的形式，根據(jù)車載雷達垂直面的波束寬度要求，選擇輻射子陣的單元數(shù)目，并根據(jù)副瓣電平性能指標進行陣列綜合，依據(jù)得到的幅度分布要求完成輻射子陣的設計。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、由于T型功率分配器的輸出采用的基片集成波導的寬度與移相器輸入采用的基片集成波導寬度相等，此時兩者之間的連接可以看成是等阻抗傳輸線的連接，不會影響從整個饋電網(wǎng)輸入端看進去的阻抗特性，因此，可以方便將饋電網(wǎng)絡的輸入阻抗調(diào)節(jié)與傳輸相位的調(diào)節(jié)過程分開，即可以獨立的調(diào)節(jié)T型功率分配器的阻抗特性，每路再通過移相器來將傳輸相位調(diào)至所需值，從而簡化設計，降低設計難度。

2、饋電網(wǎng)絡中的功率分配器采用直接一路分多路的T型基片集成波導功率分配結(jié)構(gòu)，不需要采用多級功率分配器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，可以降低饋電網(wǎng)絡帶來的損耗，同時可以有效的壓縮功率分配器所占的電路面積。

3、饋電網(wǎng)絡中的功率分配器采用直接一路分多路的T型基片集成波導功率分配結(jié)構(gòu)，其輸出各路采用等寬的基片集成波導，可以避免由于采用不等寬基片集成波導給各個通道所帶來的調(diào)節(jié)和設計難度。

附圖說明

圖1是陣列天線結(jié)構(gòu)拓撲示意圖；

圖2是陣列天線結(jié)構(gòu)剖面示意圖；

圖3是陣列天線結(jié)構(gòu)正面示意圖；

圖4是陣列天線結(jié)構(gòu)反面示意圖；

圖5是混合基片集成波導與微帶傳輸線移相器原理示意圖；

圖6是陣列天線設計實例|S11|實驗結(jié)果；

圖7是陣列天線設計實例E面方向圖實驗結(jié)果；

圖8是陣列天線設計實例H面方向圖實驗結(jié)果；

圖9是陣列天線設計實例增益實驗結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進一步的詳細描述：

一種陣列天線結(jié)構(gòu)，可用在車載雷達中，具體描述如下：

陣列天線拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包含饋電網(wǎng)絡和輻射子陣3，饋電網(wǎng)絡包含功率分配器1和多個移相器2。輻射子陣3采用線性陣列的形式。如圖2、3和4所示，4和6分別為天線結(jié)構(gòu)的正面和反面結(jié)構(gòu)，5為天線的剖面圖，為標準的雙層PCB結(jié)構(gòu)。饋電網(wǎng)絡7中的功率分配器采用一路分多路的T型基片集成波導功率分配結(jié)構(gòu)，功率分配器的每個輸出端口連接一個無源移相器。一路分多路的T型基片集成波導功率分配結(jié)構(gòu)為以中軸線為對稱軸的軸對稱結(jié)構(gòu)，輸出路數(shù)量為偶數(shù)，此處給出的驗證天線結(jié)構(gòu)選用的數(shù)量為8。每個輸出路均通過感性窗將能量耦合出來，通過調(diào)節(jié)各個耦合窗口11尺寸的大小以及各路耦合窗口外感性金屬化通孔12位置來調(diào)節(jié)功率分配器的輸入端的駐波水平，以及各輸出路的輸出功率比，為了降低陣列天線在水平組陣方向上的副瓣電平，從T型功率分配器對稱軸中心向兩邊輸出功率遞減。每個輸出端口連接的無源移相器采用混合基片集成波導和微帶線的結(jié)構(gòu)，具體原理圖如圖5所示，包含基片集成波導13、微帶漸變線14和50歐姆微帶線15三個部分。其中，每個輸出端口所連接的移相器中的基片集成波導和微帶線的長度由所要實現(xiàn)的相移決定，所要實現(xiàn)的相移與各個部分的長度的關(guān)系式由下式給出，其中，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW為對應于50歐姆微帶線15、微帶漸變線14、基片集成波導13的相移常數(shù)。

輻射子陣8采用串饋微帶陣列的結(jié)構(gòu)，每個微帶貼片為矩形貼片形式，饋線寬度不變，饋線從矩形貼片的一邊中間饋入，從相對的另一邊的間穿出，處于饋電末端的微帶貼片饋線只饋入。微帶貼片沿著饋電方向的寬度相等，均為二分之一導波波長，相鄰兩個微帶貼片中心之間的距離為二分之一導波波長；微帶貼片沿著饋電垂直方向的寬度不相等，以滿足相關(guān)陣列綜合幅度分布的要求。

一種陣列天線結(jié)構(gòu)的設計方法，以下步驟:

步驟一，確定輻射子陣所采用的輻射單元的形式，根據(jù)實際應用場景對于垂直面的波束寬度要求，選擇輻射子陣的單元數(shù)目，并根據(jù)副瓣電平等相關(guān)具體的性能指標進行陣列綜合，依據(jù)得到的幅度分布等要求完成輻射子陣的設計；

步驟二，根據(jù)實際應用場景對于水平面的波束寬度要求，確定水平面組陣所需要采用的輻射子陣個數(shù)N，這個數(shù)量便是饋電網(wǎng)絡的輸出端口數(shù)目。

步驟三，設計一路分N路T型功率分配器，水平方向相鄰子陣的間隔為Dx,則選擇Dx作為輸出基片集成波導寬度，選擇長度為N×Dx的基片集成波導并將兩個端口用金屬化通孔堵上，作為T型功率分配器的橫臂，在其中一個側(cè)壁中間接入一個寬度合適，與橫臂垂直的基片集成波導作為輸入端口。將N個寬度為Dx的等長的輸出基片集成波導平行排列，相鄰基片集成波導共用一排金屬化通孔，在基片集成波導橫臂與輸入端口相對的側(cè)邊上分別開N個感性窗口，與對應的N個寬度為Dx的輸出基片集成波導分別相連。在基片集成波導橫臂中相應各個感性窗口外加入金屬化通孔，通過調(diào)節(jié)金屬化通孔的位置以及感性窗口的大小可以得到不同的功率分配比，同時使得T型基片集成波導功率分配器的輸入駐波達到較好的水平。

步驟四，調(diào)整相位。選擇設計好的T型功率分配器最邊緣的兩路作為參考基準，基準平面如圖4中10所示，計算其他各路輸出與邊緣兩路的傳輸相位差，然后通過無源移相器進行相位調(diào)整，將各路傳輸相位調(diào)整為一致。無源移相器采用混合基片集成波導和微帶線的結(jié)構(gòu)，在基片集成波導和微帶線總長度不變的情況下，通過調(diào)整基片集成波導和微帶線的相應長度來實現(xiàn)不同的相移。移相器中的基片集成波導和微帶線的長度與所要實現(xiàn)的相移的關(guān)系式由下式給出，其中，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW為對應于50歐姆微帶線、微帶漸變線、基片集成波導的相移常數(shù)。β_ML，β_SIW可由下面的公式計算得到，在微帶漸變線尺寸確定的情況下，可以通過商用電磁場仿真軟件仿真計算得到β_{ML_taper}的值，而微帶漸變線作為基片集成波導到微帶線的過渡，可以通過商用電磁場軟件仿真得到其具體尺寸。至此，饋電網(wǎng)絡的設計完成。

其中，為相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW為分別對應于50歐姆微帶線、微帶漸變線、基片集成波導的相移常數(shù)，β_ML和β_SIW可由上述相關(guān)公式求出，β_{ML_taper}可通過商用電磁仿真軟件計算得到相對精準的值，L_m為50歐姆微帶線的長度，L_mt為微帶漸變線長度，ε_r為使用的介質(zhì)基片的介電常數(shù)，可由板材供應商提供，ε_e為等效介電常數(shù)，h為介質(zhì)基片高度，W為50歐姆微帶線寬度，a_eff為對應于基片集成波導的等效波導的寬度，aSIW為基片集成波導寬度，d為金屬化通孔直徑，p為相鄰兩個金屬化通孔中心之間的距離，ξ₁～ξ₃為三個中間變量。

步驟五，將上面設計好的N個輻射子陣和饋電網(wǎng)絡連接起來，組成一個整體，利用商用電磁仿真軟件進行細微的優(yōu)化，便可以完成整個陣列天線的設計。

為了驗證本發(fā)明的陣列天線結(jié)構(gòu)及其設計方法的正確性，取N＝8,基于0.254mm厚度的Rogers RO3003基片設計了并加工測試了陣列天線的實例，相關(guān)實驗結(jié)果在圖6～圖9中給出，實驗結(jié)果證明了本發(fā)明所提供的陣列天線結(jié)構(gòu)的正確性與有效性，同時，整個設計過程的效率也比較高。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。