串并联混合馈电阵列天线
【CN209282385U】一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920223738.2(22)申请日 2019.02.22(73)专利权人 苏州闻颂智能科技有限公司地址 215600 江苏省苏州市张家港市国泰北路1号科技创业园E幢204（苏州闻颂）(72)发明人 吴磊 刘洪刚 袁志鹏 (74)专利代理机构 苏州创元专利商标事务所有限公司 32103代理人 孙仿卫 刘鑫(51)Int.Cl.H01Q 1/32(2006.01)H01Q 1/38(2006.01)H01Q 1/48(2006.01)H01Q 1/50(2006.01)H01Q 21/00(2006.01)H01Q 21/06(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线(57)摘要本实用新型公开了一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，包括介质基板、接地层、发射端、接收端、射频芯片；发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；每行天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、T型功分器、第一相位补偿弯；每组贴片组均包括五块尺寸渐变的贴片单元；发射端/接收端还包括连接在相邻的两个T型功分器之间的第二相位补偿弯、连接在T型功分器和射频芯片之间的环形电桥/第一微带线；介质基板的上表面设有开设等间距排列的第一过孔/第二过孔的第二微带线/第三微带线；相邻的两个过孔之间的距离为1/4导波波长。
本实用新型天线具有高增益、高效率、低副瓣等优点，能满足工业要求的良好驻波特性。
权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 209282385 U 2019.08.20C N 209282385U权 利 要 求 书1/2页CN 209282385 U1.一种应用于毫米波雷达的串并结合馈电微带阵列天线，其特征在于：包括介质基板；设于所述介质基板下表面的接地层；设于所述介质基板上表面的发射端、接收端、射频芯片；所述发射端/接收端包括三行两两之间等行距排列的发射天线/接收天线；每行所述发射天线/接收天线均包括两组呈轴对称分布的贴片组、连接在两组所述贴片组之间的T型功分器和第一相位补偿弯；每组所述贴片组均包括五块两两之间间隔排列且依次连接的贴片单元；所述贴片单元垂直其排列方向的长度沿远离所述T型功分器的方向逐渐缩短；所述发射端/接收端还包括连接在相邻的两个所述T型功分器之间的第二相位补偿弯；所述发射端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的环形电桥；所述接收端还包括连接在一侧的所述T型功分器和所述射频芯片之间的第一微带线；所述微带阵列天线还包括设于所述介质基板上表面的绕设于所述发射端外侧的第二微带线、设于所述介质基板上表面的绕设于所述接收端外侧的第三微带线；所述第二微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第一过孔，所述第三微带线上开设有多个两两之间等间距排列的第二过孔，相邻的两个所述第一过孔与相邻的两个所述第二过孔之间的距离相等，均为1/4导波波长。
复合左右手串联馈电网络及天线阵列的设计
图４．３宽波束微带天线测试结果…………………………………………………．３３ 图４．４子阵馈线结构………………………………………………………………．．３４ 图４．５复合左右手单元……………………………………………………………．．３５ 图４．６ ４００馈线结构…………………………………………………………………３５ 图４．７无馈线的天线阵列…………………………………………………………．３７ 图４．８天线阵示意图………………………………………………………………．．３７ 图４．９天线阵辐射特性……………………………………………………………。３９ 图４．１０两天线阵最大辐射方向为６００时Ｈ面方向性比较………………………３９ 图４．１１天线排布图…………………………………………………………………．４０
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｉｇｈｔ／ｌｅｆｔ ｈａｎｄｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ （ＣＲＬＨ·ＴＬ）ｗｉｔｈ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｅｅｄ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＲＬＨ—ＴＬ＇ｓ ｌａｒｇｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ Ｃａｎ ｂｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ。Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｂａｌａｎｃｅ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ．Ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ．
并联馈电振子天线及馈线系统的计算与调整
将 造成 馈 电线损耗 增 大和 容许 传输 功 率 的减小 ，甚
至 会造成 过压 击穿 现象 。 因此 ，馈 电线与 天线连 接 时 ，必须 ： 天线 的 阻抗与馈 电线的特 性 阻抗相 匹 考虑 配 ，本馈 电线 采用两根 中 ３． ０铜包钢 导线平行设 置。 两根导线 间的距离为 ２ ５ ２ ｍｍ ，其特性 阻抗为 ：
根 据上 述 计算 结果 ，在 距离 天线 第一 个 电压波
馈 电线的计 算 与调 整
在 线 形天 线 馈 电中 ，行 波 系 数 低于 规 定 值 时 ，
腹点 ８． ９米处做 出记号 ，并把短截 线接入该 位置 。 ７ 然 后 按 计 算 结 果 取 好 短 截 线 长 度 （ 在 短 截 线 即
１３ 最大发射仰角计算 ．
此天线 采用 阻抗 特性为 ６ ０ Ｑ的 二线式平行 馈 ０ 线馈 电 。 选取公式 ：Ｌ —０ ２入 １ ． Ｌ ０ １ ２ ２ ． ５入 Ｌ
０ ４ ５入时 ，天线 与馈 电线能获得 最佳 匹配 。 ．７
ｔ ｍ＝ ｛ ｇ△ ｐ一（＋ ｐ） １ （ １一Ｃ ｓ） （＋ ｐ Ｓｎ ｏｂ ｝／ １ ）ｉｂ
发射 点 ：Ｎ１ ４ ｏ２ ５ Ｅｌ １ 。１ ４ ＝ ９１ ’ ＝１ ５５ ’ ３
则 ：ａ ０ 一 Ｎ１ ０４ ’ ５ ＝９ ０ ＝４ ０ ７ ５
ｃ ＝９０ ￣一 Ｎ２ ＝４１ ５ ￣ ０’２ １ ａ＝Ｅ １一 Ｅ２ ０ ２ ’ ：３ ５ ７
线） 。这种线 形天线结构 简单 、造价低 ，施工维护 方
ＨＡ 入 ／ Ｓ ｎ△ ｍ＝１ ． ５ ＝ ４ｉ ８ ８ ｍ
Ｘｍ ＝ ｌ ８ ｍ —Ｍ ／２ １ ７ ｍ ３． ５ ＝ ３． ４
式 中 ：ＨＡ：天线振 子架设高 度
串并联混合馈电阵列天线
题目：串并联混合馈电阵列天线摘要本设计主要是研究阵列天线的各种馈电方法，并对他们进行比较、重点研究串联并联混合馈电方法。
在本设计中，通过比较串联、并联和串并联馈电方法后，使用串并联混合的馈电技术制作了中心频率为3GHz的简单、低成本和高增益微带阵列天线。
天线的优化设计参数的选择实现紧凑的尺寸以及可能的最好的高辐射效率、高增益等特点。
在进行串并联混合馈电阵列天线设计之前，着重分析设计该天线所需要的知识，包括T 型二等分功分器和微波电路的不连续性问题。
这些知识对阵列天线的设计显得颇为重要，它们能显著改善天线的匹配效果，并将在所设计的天线中得到应用。
经过一番比较和论证之后，设计了两种基于串并联混合馈电技术的阵列天线。
所设计的天线阵列为6x1和4x2。
最佳馈电系统参数是由一系列天线仿真决定。
仿真是通过使用HFSS天线仿真软件完成，它是商业的、精确的天线模拟器。
本设计基于简单和低成本需要，使用介电常数εr= 4.4和高度h =1.6mm的FR4介质基板，设计天线的S11达到了-30dB。
这些天线仿真的增益是约9dB和10dB，旁瓣的增益保持低于主瓣。
由于这这些天线的谐振频率在3GHz，这些天线是适合在S波段的应用，如卫星通信、雷达、医疗应用和其他无线系统。
关键词：微带天线；阵列天线；串联馈电阵列；并联馈电阵列；串并联馈电阵列AbstractThis design is mainly to study a variety of feeding method of array antenna, and compare them, focusing on hybrid parallel series feed method.In this design, by comparing the series, parallel and series-parallel feed method, we use a series-parallel hybrid feed technology to producetwo simple, low-cost and high gain microstrip array antenna which center frequency is 3G.Theoptimumdesign parameters of the antenna are selected to achieve the compact dimensions as well as the best possible characteristics such as high radiation efficiency, high gain, etc.Before the series and parallel mixed feed antenna array designing, we will focus toanalyze the knowledge needed in the design of the antenna, including T-bisection splitters and microwave circuit discontinuities.Theseknowledgelooks fairly important to the design of the array antenna, they can significantly improve the matching of the antenna , and has been applied in the design of antennas.After some comparison and verification, I design two array antennaswhich used the series-parallel hybrid feed technology.The designed antennas are 6x1and 4x2 arrays.Theoptimum feeding system is decided based on the various antenna parameters that are simulated.The simulation has been performed by using HFSS soft simulator which is a Commercialand precise antenna simulator.The design This design in order to achieve simplicity and low cost, using FR4 dielectric substrate which the dielectric constant er = 4.4 and height h = 1.6mm.the S11 of design antenna reaches -30dB.The gain of these simulated antennas is found about 9dB and 10dB，the side lobe label is maintained lower than main lobe.Since, the resonance frequency of these antennas is around 3GHz , these antennas are suitable for S band applications such as satellite communication, radar, medical applications, and other wireless systems. Keywords:microstrip antenna; array antenna; series feed array; parallel feed array; series-parallel-fed array.目录引言 (1)1 微带天线的介绍 (2)1.1 微带天线的概述和分类 (2)1.2 微带天线的优缺点 (2)2 矩形微带天线的理论 (4)2.1 矩形微带天线的馈电分析 (4)2.2 用传输线模型分析法分析矩形微带天线的辐射原理 (4)2.2.1辐射场及方向函数 (5)2.2.2辐射电阻 (5)2.2.3输入导纳 (5)2.3 用腔模理论分析矩形微带天线 (6)2.3.1等效电和磁流密度 (7)2.4 微带阵列天线理论 (9)3 软件介绍 (10)3.1 HFSS天线仿真软件 (10)3.2 DXP 画图软件 (10)4 微带阵列天线馈电系统 (11)4.1 微带T型功分器 (11)4.2 馈电传输线的不连续性分析 (11)4.2.1微波传输线不连续性概述和影响 (11)4.2.2微带线不连续性分析和补偿 (12)4.3 微带阵列馈电网络 (13)4.3.1微带串联馈电网络 (13)4.3.2微带并联馈电网络 (15)4.3.3微带串并联混合馈电网络 (15)4.3.4比较三种不同的馈电方式 (16)5 串并联混合馈电阵列的设计和仿真 (17)5.1 矩形贴片微带天线的设计 (17)5.1.1矩形贴片微带天线设计公式 (17)5.1.2 3GHz矩形贴片微带天线参数的确定 (17)5.1.3 用HFSS仿真分析单个贴片微带天线 (18)5.2 六单元串并联混合馈电阵列天线设计 (19)5.3 八单元串并联混合馈电阵列天线设计 (21)5.4 两种方案阵列天线的仿真比较 (24)6 阵列天线的实物制作和测试分析 (25)6.1 实物制作 (25)6.2 实物测试 (25)6.3 仿真与实物性能分析比较 (27)7 结论 (28)致谢 .....................................................................................错误!未定义书签。
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题目：串并联混合馈电阵列天线摘要本设计主要是研究阵列天线的各种馈电方法，并对他们进行比较、重点研究串联并联混合馈电方法。
在本设计中，通过比较串联、并联和串并联馈电方法后，使用串并联混合的馈电技术制作了中心频率为3GHz的简单、低成本和高增益微带阵列天线。
天线的优化设计参数的选择实现紧凑的尺寸以及可能的最好的高辐射效率、高增益等特点。
在进行串并联混合馈电阵列天线设计之前，着重分析设计该天线所需要的知识，包括T 型二等分功分器和微波电路的不连续性问题。
这些知识对阵列天线的设计显得颇为重要，它们能显著改善天线的匹配效果，并将在所设计的天线中得到应用。
经过一番比较和论证之后，设计了两种基于串并联混合馈电技术的阵列天线。
所设计的天线阵列为6x1和4x2。
最佳馈电系统参数是由一系列天线仿真决定。
仿真是通过使用HFSS天线仿真软件完成，它是商业的、精确的天线模拟器。
本设计基于简单和低成本需要，使用介电常数εr= 4.4和高度h =1.6mm的FR4介质基板，设计天线的S11达到了-30dB。
这些天线仿真的增益是约9dB和10dB，旁瓣的增益保持低于主瓣。
由于这这些天线的谐振频率在3GHz，这些天线是适合在S波段的应用，如卫星通信、雷达、医疗应用和其他无线系统。
关键词：微带天线；阵列天线；串联馈电阵列；并联馈电阵列；串并联馈电阵列AbstractThis design is mainly to study a variety of feeding method of array antenna, and compare them, focusing on hybrid parallel series feed method.In this design, by comparing the series, parallel and series-parallel feed method, we use a series-parallel hybrid feed technology to producetwo simple, low-cost and high gain microstrip array antenna which center frequency is 3G.Theoptimumdesign parameters of the antenna are selected to achieve the compact dimensions as well as the best possible characteristics such as high radiation efficiency, high gain, etc.Before the series and parallel mixed feed antenna array designing, we will focus toanalyze the knowledge needed in the design of the antenna, including T-bisection splitters and microwave circuit discontinuities.Theseknowledgelooks fairly important to the design of the array antenna, they can significantly improve the matching of the antenna , and has been applied in the design of antennas.After some comparison and verification, I design two array antennaswhich used the series-parallel hybrid feed technology.The designed antennas are 6x1and 4x2 arrays.Theoptimum feeding system is decided based on the various antenna parameters that are simulated.The simulation has been performed by using HFSS soft simulator which is a Commercialand precise antenna simulator.The design This design in order to achieve simplicity and low cost, using FR4 dielectric substrate which the dielectric constant er = 4.4 and height h = 1.6mm.the S11 of design antenna reaches -30dB.The gain of these simulated antennas is found about 9dB and 10dB，the side lobe label is maintained lower than main lobe.Since, the resonance frequency of these antennas is around 3GHz , these antennas are suitable for S band applications such as satellite communication, radar, medical applications, and other wireless systems. Keywords:microstrip antenna; array antenna; series feed array; parallel feed array; series-parallel-fed array.目录引言 (1)1 微带天线的介绍 (2)1.1 微带天线的概述和分类 (2)1.2 微带天线的优缺点 (2)2 矩形微带天线的理论 (4)2.1 矩形微带天线的馈电分析 (4)2.2 用传输线模型分析法分析矩形微带天线的辐射原理 (4)2.2.1辐射场及方向函数 (5)2.2.2辐射电阻 (5)2.2.3输入导纳 (5)2.3 用腔模理论分析矩形微带天线 (6)2.3.1等效电和磁流密度 (7)2.4 微带阵列天线理论 (9)3 软件介绍 (10)3.1 HFSS天线仿真软件 (10)3.2 DXP 画图软件 (10)4 微带阵列天线馈电系统 (11)4.1 微带T型功分器 (11)4.2 馈电传输线的不连续性分析 (11)4.2.1微波传输线不连续性概述和影响 (11)4.2.2微带线不连续性分析和补偿 (12)4.3 微带阵列馈电网络 (13)4.3.1微带串联馈电网络 (13)4.3.2微带并联馈电网络 (15)4.3.3微带串并联混合馈电网络 (15)4.3.4比较三种不同的馈电方式 (16)5 串并联混合馈电阵列的设计和仿真 (17)5.1 矩形贴片微带天线的设计 (17)5.1.1矩形贴片微带天线设计公式 (17)5.1.2 3GHz矩形贴片微带天线参数的确定 (17)5.1.3 用HFSS仿真分析单个贴片微带天线 (18)5.2 六单元串并联混合馈电阵列天线设计 (19)5.3 八单元串并联混合馈电阵列天线设计 (21)5.4 两种方案阵列天线的仿真比较 (24)6 阵列天线的实物制作和测试分析 (25)6.1 实物制作 (25)6.2 实物测试 (25)6.3 仿真与实物性能分析比较 (27)7 结论 (28)致谢 .....................................................................................错误!未定义书签。
参考文献 (29)引言微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。
在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。
现代无线通信系统需要低剖面、重量轻、高增益天线、和简单的结构，保证可靠性、移动性和效率高的特点。
微带天线能够满足这种要求。
微带天线的主要特点是相对容易制作，重量轻，成本低，适合于安装表面或从一个非常薄的突起表面。
这种天线吸收了印刷电路技术所有的优点。
微带天线的这些优点使他们流行于许多无线通信应用，如卫星通信、雷达、医疗应用等。
微带天线的缺点是频带窄、不适合用于高功率的波导、同轴电缆甚至带状线。
因此，微带天线的设计面临的挑战是增加带宽和增益。
微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。
不同的微带天线阵列的配置能够获得高增益，宽带宽和高效率。
阵列中的贴片之间的电压分布取决于馈电网络。
适当的馈电网络聚集所有的感应电压馈电到一点。
适当的阻抗匹配能够使整个串并联馈电阵列成为高效率微带天线。
天线元件间的功率分配可以通过馈电网络的改变实现。
混合馈电网络通过引入相位变化可以改变辐射方向[13]。
设计参数的选择（介电材料、高度和频率等）是非常重要的，因为天线的性能取决于这些参数。
辐射性能可以通过适当的设计结构加以改进。
使用高介电常数基板可以使微带天线尺寸小型化。
使用低介电常数基板底可以获得更好的效率和更宽的带宽，但它需要较大的单元尺寸。
超导块单轴基板微带天线在毫米波长度辐射效率和增益高。
微带贴片宽度的不连续性减少谐振微带天线的长度和辐射效率[13]。
不同的雷达系统，如合成孔径雷达（SAR），航天飞机成像雷达，遥感雷达和其他无线通信系统工作在L，C波段和S波段。
对于这种频带如S波段，微带天线由于其成本低、重量轻和坚固性使其是第一选择。
本文通过计算和仿真的办法获得设计参数，以达到所需的尺寸以及有效的辐射效率特性。
本文还比较微带阵列天线并联馈电、串联馈电和串并联混合馈电的特点，以获得最佳的馈电系统。
这些设计的天线由于结构简单、制造方便和高增益和高效率是S波段无线应用的潜在候选者。
微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。
1 微带天线的介绍1.1 微带天线的概述和分类微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质板上形成的天线[10]。
导体薄片称为辐射元, 辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形和椭圆形等。