專利名稱：四種24.15GHz窄波束微帶陣列天線的制作方法
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)計的24.15GHz窄波 束微帶陣列天線。
背景技術(shù)：
24.15GHz窄波束微帶陣列天線有許多應(yīng)用市場。典型的應(yīng)用有公路超速 管理用雷達；公路卡口管理用雷達；闖紅燈管理用雷達；汽車防撞和自主控制 雷達；機車測速雷達；雷達物位計、液位計；以及其他若干民用和軍用的雷達 和通信系統(tǒng)。從近毫米波到毫米波，使用微帶陣列天線具有一系列優(yōu)點，如低 價格、高性能、薄尺寸、易制作等等。雖然國外某些研究機構(gòu)和公司示出了一 些樣例，但尚無完整的設(shè)計方法報導(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Wavetnmix公司典型地采用串饋式微帶陣列 天線。這種天線容易實現(xiàn)單個E面窄波束，而實現(xiàn)雙面窄波束或針狀波束還缺 乏實例。俄羅斯OLVIA公司采用4單元組合的設(shè)計，可以實現(xiàn)針狀波束，但無 完整的設(shè)計方法報導(dǎo)。本發(fā)明采用獨立自主研發(fā)的設(shè)計方法，設(shè)計圖樣與這些 廠商推出的天線不同，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。在 科技文獻中報導(dǎo)的微帶陣列天線樣例，當(dāng)微帶貼片數(shù)目較多時，會出現(xiàn)天線上饋 線損耗過大的問題，需要附加專門的微波饋電線路以減小損耗。本發(fā)明所述的 4eX4.5n天線的貼片數(shù)達到524個，不需要附加的微波饋電線路，天線損耗仍然 較低，可以直接用于低價雷達系統(tǒng)。按照所采用的方法能夠做出更窄波束的天 線設(shè)計，但本發(fā)明中提出的設(shè)計考慮了實際的典型應(yīng)用需求，這對于控制天線 價格和適合民用市場非常重要。由于微帶陣列天線在相當(dāng)大一類微波應(yīng)用系統(tǒng) 中占據(jù)技術(shù)核心的位置，本發(fā)明專利的目的在于提出四款成功設(shè)計的天線，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)明提出的天線是專門設(shè)計的微帶陣列天線。選擇了 4種典型的天線特 性，可以覆蓋大多數(shù)的應(yīng)用需求。用戶可以實際的應(yīng)用需求來選用這些天線。這4種天線分別具有以下特征
(1) 主要設(shè)計指標(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)計結(jié)果一3dB波束寬度5.2QX5.9Q，天線微波介質(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 單元個數(shù)為284個。所述天線設(shè)計圖樣如圖1所示。
(2) 主要設(shè)計指標(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)計結(jié)果一3dB波束寬度3.95QX4.35G ，天線微波介質(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 射單元個數(shù)為524個。所述天線設(shè)計圖樣如圖2所示。
(3) 主要設(shè)計指標(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)計結(jié)果一3dB波束寬度4GX6.88、天線微波介質(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 單元個數(shù)為332個。所述天線設(shè)計圖樣如圖3所示。
(4) 主要設(shè)計指標(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)計結(jié)果一3dB波束寬度3.95GX12.2G ,天線微波介質(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 單元個數(shù)為190X2個。此天線由兩個天線構(gòu)成，兩個天線中任何一個可 單獨使用，也可以合起來用于收發(fā)天線需要分離的場合，例如雙向測速 雷達。所述天線設(shè)計圖樣如圖4所示。
(5)本發(fā)明中各個天線的輻射單元饋電具有特征。輻射單元與饋線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分支饋線之間的合理位置，同時保證單元饋
線需要的尺寸，對饋線進行了彎折處理，如圖5所示。
本發(fā)明中的微帶陣列天線從總體上采用E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個輻 射單元均勻放置在分支饋線之間的位置；輻射單元的饋線深入貼片內(nèi)一定距離， 并對饋線進行了彎折處理。本發(fā)明設(shè)計的天線中使用了契貝雪夫加權(quán)方法進行 陣列上的功率分配設(shè)計，在保證足夠低的天線輻射旁瓣條件下，能夠獲得最窄 的主瓣寬度。同時，在輻射單元與饋線的匹配方面獲得了更完善的進步。饋線 在保證微波功率匹配饋送的前提下，尺寸更加合理。這些進步有利于降低天線 饋線產(chǎn)生的寄生輻射，降低輻射單元之間以及輻射單元和饋線之間的寄生耦合， 降低匹配不良造成的反射，提高天線的輻射效率。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算預(yù)定的電平。這種天線如果用于交通安全管理測 速雷達中，對于改善測速雷達對各種車輛定位的一致性，改善雷達對擁堵車輛 的分辨性能，對克服鄰車道車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可以覆蓋相當(dāng)寬的微波雷達應(yīng)用市 場。同時，^:發(fā)明展示的天線設(shè)計圖樣體現(xiàn)了若干新的設(shè)計概念，具體表明了 什么樣的微帶天線結(jié)構(gòu)可以容易地實現(xiàn)針狀波束，輻射單元如何放置，如何進 行匹配連接等問題。這些結(jié)果對于推動微帶陣列天線理論和設(shè)計技術(shù)的進步是 有益的。這些天線在微波雷達和通信市場上的應(yīng)用，將會取得的經(jīng)濟和社會效 益應(yīng)該是很積極的。


圖1 5.2GX5.9Q天線圖樣，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微帶天線貼片的饋線細節(jié)(局部示意圖)
具體實施例方式
幾種窄波束微帶陣列天線的設(shè)計考慮了實際的市場需求。其中5.5GX6G天線 的提出來源于公路超速管理的應(yīng)用需求，用來改進目前正在使用的6GX7G天線。 5.5ax6a天線的尺寸擴張不大，但能夠更好地滿足單車道監(jiān)測的要求。在公路卡 口管理中要求雷達提供車輛處于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)更準(zhǔn)確的位置信息，對雷達天線的 波束寬度提出了更窄的要求。類似的要求來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)，同時不至于過高地提高天線價格，將天線 的波束寬度確定在4GX4.5G是合理的。在闖紅燈管理系統(tǒng)中，對于有2個直行道 的情況，這2個直行道可以共用一只雷達傳感器，但要求雷達波束在縱向很窄。 這樣的雷達傳感器可以使用波束寬度為4Gx7C的天線。當(dāng)雷達放置于路旁，用 于對多個車道進行超速管理時，需要提供車輛運動的方向信息。目前德國Robot 公司推出的測速雷達的波束寬度為5QX20Q，在本發(fā)明中提出一種3.95。X12.2Q 的雙天線，可以進一步提高測速照相系統(tǒng)的性能。
除上述應(yīng)用外，本發(fā)明中提出的窄波束天線可以直接用于24GHz頻段的微 波測距系統(tǒng)、微波物位計和液位計、汽車前向防撞和自主控制雷達、機車測速 雷達、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)計圖樣可以為其他微波頻段的微帶陣列天線設(shè)計提供參考。
本發(fā)明提出的設(shè)計都進行了仿真檢驗。為了保證應(yīng)用要求的、優(yōu)于一15dB 的天線旁瓣電平，在設(shè)計中對理論計算的旁瓣電平給了一定的余量，選擇為 一20dB?？紤]了降低工藝誤差對設(shè)計的影響，特別限制了最小使用線寬和間距。 考慮了理論計算模型的準(zhǔn)確性，對緊要的阻抗計算進行了重新理論推導(dǎo)和更合 理的近似。同時限制了最大的使用線寬，這有利于保證計算模型的準(zhǔn)確性和減 小寄生效應(yīng)。設(shè)計計算在計算機上充分自動地進行，只需要人工提供幾個可選 參數(shù)。通過理論預(yù)示的天線方向圖、波束寬度、旁瓣電平、最大和最小線寬的 合理性，可以容易地判斷是否已經(jīng)達到設(shè)計目標(biāo)，以及在未達到設(shè)計目標(biāo)時該 如何調(diào)整設(shè)計參數(shù)。設(shè)計結(jié)果是天線圖樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)。將這些參數(shù)組織到一個 數(shù)據(jù)文件中。編寫一個專用的LISP繪圖程序，可以利用商用的繪圖設(shè)計軟件立 即將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為天線設(shè)計圖樣。本發(fā)明中提供的設(shè)計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，其特征在于采用E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個輻射單元均勻放置在分支饋線之間的位置；輻射單元的饋線深入貼片內(nèi)一定距離，并對輻射單元的饋線進行了彎折處理。
2、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線中，外廓尺寸166mmX 148mm的天線， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸152mm±0.5mm，輻射單元個數(shù)為 284個。
3、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線中，外廓尺寸212mmX 196mm的天線， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸202.5mm土0.5mm，輻射單元個數(shù) 為524個。
4、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線中，外廓尺寸216mmX 132mm的天線， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸203mm土0.5mm，輻射單元個數(shù)為 332個。
5、 權(quán)利要求1所述的微帶陣列天線中，外廓尺寸216mmX 151mm的天線， 其特征在于，金屬圖形的H面最大尺寸203mm土0.5mm，輻射單元個數(shù)為 190X2個。此天線為雙天線，可以拆成兩個天線單獨使用。
全文摘要
四種成功設(shè)計的24.15GHz窄波束微帶陣列天線，可以用于公路安全管理用測速雷達系統(tǒng)和工作于24GHz頻段的其他雷達和通信系統(tǒng)。采用了E面和H面雙向并饋結(jié)構(gòu)；各個輻射單元均勻放置在分支饋線之間的位置；輻射單元的饋線深入貼片內(nèi)一定距離，并對輻射單元的饋線進行了彎折處理。采用了契貝雪夫加權(quán)的功率分配設(shè)計。輻射單元與饋線的匹配方面獲得了更完善的進步。饋線在保證微波功率匹配饋送的前提下，尺寸更加合理。新設(shè)計降低了天線饋線產(chǎn)生的寄生輻射和其他寄生效應(yīng)，能夠明顯改善天線波束形狀和降低旁瓣電平，以及降低饋線損耗和提高天線的輻射效率。
文檔編號H01Q21/24GK101521314SQ20091008166
公開日2009年9月2日 申請日期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 申請人:鄒謀炎