微波天線、微波設備及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明建議了一種微波天線，其包括天線輻射單元和向所述天線輻射單元饋電的饋電網絡。其中，所述饋電網絡包括一個或多個縱向功分器，每個縱向功分器的輸入支路和輸出支路分別位于不同平面上，且所述縱向功分器中包括不等分功分器，其中每個不等分功分器至少有一條輸出支路具有與其他輸出支路不同的幾何構造，從而使所述至少一條輸出支路上的功率分配與其他輸出支路上的功率分配不相等。本發明還建議了一種包含該微波天線的微波設備，以及所述微波設備在工業控制系統或車載雷達系統中的應用。
【專利說明】微波天線、微波設備及其應用
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及微波【技術領域】，具體來說，涉及一種微波天線，其包括天線輻射單元和向天線輻射單元饋電的饋電網絡。本發明還涉及一種包含所述微波天線的微波設備，及該微波設備在工業控制系統或車載雷達系統中的應用。
【背景技術】
[0002]寬頻微波系統可包括微波天線、射頻信號發送和接收單元、信號計算及處理單元、對象識別單元及控制單元等部分。其中微波天線包括多個輻射單元(如用貼片天線來實現)，以及用于向輻射單元饋送射頻信號的饋電網絡。由于寬頻微波系統的工作頻率很大，在某些應用中，為了保證微波系統中微波天線的主瓣方向不隨工作頻率的變化而發生偏轉，天線的饋電網絡起到至關重要的作用。采用并行或混合(并行加串行)的饋電系統能夠消除或減少天線主瓣方向因頻率變化而產生的偏轉。
[0003]通常的并行/混合式饋電網絡采用橫向排列，即饋電網絡中的多個功分器與輻射單元陣列排列在同一個平面上。這樣的饋電網絡可以滿足單個天線的應用，但對于采用多通道的微波系統來說，共面的饋電網絡將占據很大的平面面積，從而降低系統性能。發明人意識到，將常規的橫向排列的饋電網絡變為縱向排列，即使得饋電網絡中的多級功分器沿輻射單元所在平面的法線方向上下疊層排列，可以使將饋電網絡從二維擴展為三維，從而顯著減少整個天線饋電網絡所占的平面面積，滿足多通道的應用。
[0004]另外，在這樣的縱向饋電網絡中，如果采用常規的對稱功分器(即從饋電輸入支路引到各輸出支路上的功率分配之比接近1:1)，將導致天線的旁瓣水平在-13dB左右，對于多數微波系統、尤其是雷達傳感器而言，這種水平的旁瓣是過高的。因此，在本發明中發明人對功分器的分功比進行了優化設計。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，對微波天線的饋電網絡加以改進，使其以緊湊的構造方式實現，能夠降低天線的旁瓣水平，提高了系統性能。
[0006]根據本發明的一個方面，上述任務通過一種具有下述特征的微波天線來解決。該微波天線包括天線輻射單元和向所述天線輻射單元饋電的饋電網絡，其中所述饋電網絡包括一個或多個縱向功分器。這里的“功分器”也可以被稱為“功率分配器(power divider) ”，用于將一路輸入信號能量分成兩路或更多路輸出。根據本發明，每個縱向功分器的輸入支路和輸出支路分別位于不同平面上，并且所述縱向功分器中包括不等分功分器，即每個不等分功分器至少有一條輸出支路具有與其他輸出支路不同的幾何構造，使得在所述至少一條輸出支路上的功率分配與其他輸出支路上的功率分配不相等。
[0007]根據本發明的一個優選實施方式，本發明所述微波天線的饋電網絡包括層疊排列的多級縱向功分器，其中同一級縱向功分器位于同一平面上，而不同級的縱向功分器位于相互平行的不同平面上。
[0008]這樣，通過縱向多層排列的功分器形成了三維的饋電網路結構，可以從天線輻射單元陣列的下方向天線輻射單元饋送電信號，有效地降低了天線饋電網絡所需的平面面積，能夠實現結構緊湊的天線。
[0009]可選地，在根據本發明的微波天線的饋電網絡中，所述縱向功分器的輸入支路和/或輸出支路可以通過帶狀線、微帶線或者波導管(如金屬波導管或基片集成波導管)等多種方式來實現。
[0010]根據本發明的一個可選實施方式，當用帶狀線或微帶線作為所述不等分功分器的輸出支路時，至少有一條輸出支路上的帶狀線或微帶線的金屬導電條可以被設計為具有與其他輸出支路上的帶狀線或微帶線的金屬導電條不同的寬度，使得該輸出支路上的阻抗與其他輸出支路的阻抗不同，從而實現了不均等的分功比。
[0011]根據本發明的另一個可選實施方式，當用具有矩形橫截面的波導管作為不等分功分器的輸出支路時，從輸入支路到輸出支路的I禹合點位于波導管矩形橫截面的長邊一側。優選的是，此時至少有一條輸出支路上的波導管內設置有波阻礙結構，使得從所述耦合點向該輸出支路饋送的能量有一部分被所述波阻礙結構反射到其他輸出支路上，從而使在該輸出支路上分配的功率與其他輸出支路上分配的功率不相等。
[0012]例如，作為輸出支路的波導管可以是金屬波導管，所述波阻礙結構可以被設計為改變金屬波導管橫截面大小的邊框結構。
[0013]在本發明的另一個實施例中，作為輸出支路的波導管也可以是基片集成波導管，其中所述波阻礙結構可以由位于基片集成波導管中的過孔結構來實現。
[0014]可選的是，本發明所述的不等分功分器可具有一條輸入支路和兩條輸出支路，在這兩條輸出支路上分配的功率不同，設具有較小功率分配的輸出支路與具有較大功率分配的輸出支路之間的功率分配之比為1:N，則通過優化設計輸出支路的幾何結構，例如改變帶狀線或微帶線的金屬導電帶的寬度、或者調整波導管內的波阻礙結構的形狀和/或位置，可以實現N的取值為1.3彡N彡10。
[0015]通過有目的地優化設計和調整縱向功分器不同輸出支路上的分功比，可以降低天線的旁瓣水平，從而顯著提高了整個天線系統的性能。
[0016]當然，根據本發明的一個可選實施方式，在饋電網絡中除了所述縱向功分器之外，天線輻射單元中的一部分也可以由串行傳輸線來饋電，這些串行傳輸線與天線輻射單元陣列位于同一個平面內(即構成了并行加串行的混合式饋電網絡)。
[0017]根據本發明的一個可選實施方式，可以通過多層有機材料微波電路板來疊層形成所述天線輻射單元和饋電網絡，例如可以采用Rogers軟材料作為微波電路板。根據本發明的另一個優選實施方式，也可以通過低溫共燒陶瓷(LTCC)制造所述天線輻射單元和饋電網絡。
[0018]根據本發明的一個方面，還建議了一種微波設備，其包含具有上述特征的微波天線，以及與該微波天線電連接的射頻電路，其中所述微波天線和所述射頻電路被安置在一殼體內。這里的射頻電路例如可以包括信號發生源、功率放大器、混頻器等電路元件。
[0019]根據本發明的上述微波設備可以廣泛應用在工業控制系統以及車載雷達系統中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面借助圖1至4詳細描述根據本發明的微波天線的不同實施方式。這些附圖以示意圖的方式分別示出了:
[0021]圖1是根據本發明的一個實施方式的微波天線的原理性示意圖；
[0022]圖2是沿圖1所示剖面線A-A’剖開的截面示意圖；
[0023]圖3是根據本發明的一個實施方式的縱向不等分功分器的示意圖，其通過微帶線來實現；以及
[0024]圖4是根據本發明另一實施方式的縱向不等分功分器的示意圖，其通過金屬波導管來實現。
【具體實施方式】
[0025]下面意圖借助附圖解釋本發明的示例性實施方式，并非用于限制本發明的范圍。本領域技術人員可以理解，也可以通過其他方式實現本發明所建議的技術方案，而不背離本發明的主旨。
[0026]圖1示出了根據本發明的一個實施例的微波天線I的原理性示意圖。在該微波天線I中，多個天線輻射單元a1-apb1-h、及C1-C4排列在一個平面上，形成了天線輻射單元陣列。天線福射單元S1與IDpC1之間，a2與b2、c2之間，a3與b3、c3之間，以及a4與b4、c4之間分別通過串行傳輸線d進行串行饋電。
[0027]圖1中示意性地示出了兩個一級功分器S11和S12。其中一個一級功分器S11的兩條輸出支路分別通過兩條縱向傳輸線連接至天線福射單元S1和a2上的f禹合點和f2,向天線輻射單元ai和a2并行饋電；另一個一級功分器S12的兩條輸出支路分別通過兩條縱向傳輸線連接至天線福射單元a3和a4上的稱合點f3和f4,向天線福射單元a3和a4并行饋電。這兩個一級功分器S11和S12的輸入支路分別通過縱向傳輸線連接至二級功分器S21的兩條輸出支路，即通過二級功分器S21向一級功分器S11和S12并行饋電。
[0028]圖2示出了沿圖1所示剖面線A-A’剖開的截面示意圖。圖2中可以看到，天線輻射單元a1、a2、a3、a4位于同一平面上。向天線輻射單元&1、a2并行饋電的一級功分器S11和向天線輻射單元a3、a4并行饋電的一級功分器S12位于另一個平面上，該平面與天線輻射單元&1、a2、a3、a4所在的平面平行，從下方向天線輻射單元進行饋電。二級功分器S21位于最下方的平面上，向一級功分器S11和S12并行饋電，從而形成了縱向的饋電網絡。
[0029]盡管圖1和圖2中的一級和二級功分器分別具有一條輸入支路和兩條輸出支路，但是本領域技術人員能夠理解，也可以采用具有更多輸出支路的功分器。而且也不僅限于兩級并行饋電。
[0030]圖3示出了采用微帶線作為縱向功分器S1的一個示例性實施例。其中輸入支路I1通過縱向結構F1耦合至兩條輸出支路O11和O12，輸出支路O11和O12位于同一平面上，而輸入支路I1位于其下方的另一平面上，相對于輸出支路O11和O12平行延伸，構成了一縱向功分器Sp由圖3可見，左側輸出支路O11的金屬導電條的寬度比右側輸出支路O12的金屬導電條的寬度要窄，從而使得左側輸出支路O11的阻抗高于右側輸出支路O12的阻抗。由輸入支路I1饋入的能量在耦合區域被分成兩路，向右側輸出支路O12分出的能量要大于向左側輸出支路O11分出的能量，從而通過輸出支路的微帶線的不同的幾何構造實現了不等分的縱向功分器。采用帶狀線作為輸出支路的原理與微帶線相類似，這里不再贅述。
[0031]圖4示出了采用金屬波導管作為縱向功分器S2的另一個實施例。圖4中的金屬波導管具有矩形橫截面，輸入支路I2通過耦合端口 F2耦合至兩條輸出支路O21和O22，輸出支路O21和O22位于同一平面上,而輸入支路I2位于其下方的另一平面上，相對于輸出支路O2I和O22平行延伸，構成了一縱向功分器S2。由圖4可見，耦合端口 F2被設置在金屬波導管矩形橫截面的長邊一側。另外，在兩條輸出支路O21和O22之間的過渡區域內設置了一波阻礙結構T (邊框)，使得左側輸出支路O21在波阻礙結構T位置處的金屬波導管的空腔橫截面的面積小于右側輸出支路O22的金屬波導管空腔橫截面。這樣，由于從輸入支路I2饋入的能量向左側輸出支路O21的傳導在波阻礙結構T處受阻，將向右側輸出支路O22反射，使得向右側輸出支路O22分配的能量高于向左側輸出支路O21分配的能量，從而現了不等分的縱向功分器。
[0032]假設縱向功分器兩條輸出支路上的分功比(即具有較小功率分配的輸出支路與具有較大功率分配的輸出支路上的功率分配之比)為1:N，通過優化設計輸出支路的幾何結構，例如改變帶狀線或微帶線金屬導電帶的寬度、或者調整波導管內波阻礙結構的形狀和/或位置，能夠實現N的取值為1.3 SNS 10。這樣，經由多級不等分縱向功分器的并行功率分配，可以降低天線的旁瓣水平，以滿足微波系統應用的要求。
[0033]采用基片集成波導管作為輸出支路的原理與金屬波導管相類似，但其中的波阻礙結構是由位于基片集成波導管中的過孔結構來實現的，從而使得向一側輸出支路分配的能量高于向另一側輸出支路分配的能量，實現不等分的縱向功分器。
[0034]本發明所建議的微波天線例如可以通過Rogers軟材料微波電路板疊層制造而成。或者，作為替代，也可以通過低溫共燒陶瓷(LTCC)來實現。
[0035]根據本發明的一個方面，上述微波天線可以和射頻電路電連接，共同安裝在一殼體內，構成一種微波設備。用于該微波設備的射頻電路例如可以由信號發生源、功率放大器、混頻器等電路元件構成。
[0036]本發明所述的微波天線和微波設備可以廣泛應用于工業控制領域，也可以應用于車載雷達系統。
【權利要求】
1.一種微波天線，包括天線輻射單元和向所述天線輻射單元饋電的饋電網絡，其特征在于，所述饋電網絡包括一個或多個縱向功分器，其中每個縱向功分器的輸入支路和輸出支路分別位于不同平面上，且所述縱向功分器中包括不等分功分器，其中每個不等分功分器至少有一條輸出支路具有與其他輸出支路不同的幾何構造，從而使所述至少一條輸出支路上的功率分配與其他輸出支路上的功率分配不相等。
2.如權利要求1所述的微波天線，其特征在于，所述饋電網絡包括層疊排列的多級縱向功分器，其中同一級縱向功分器位于同一平面上，而不同級的縱向功分器位于相互平行的不同平面上。
3.如權利要求1所述的微波天線，其特征在于，所述縱向功分器的輸入和/或輸出支路是通過帶狀線、微帶線或波導管實現的。
4.如權利要求3所述的微波天線，其特征在于，所述不等分功分器的輸出支路是通過帶狀線或微帶線實現的，其中至少有一條輸出支路上的帶狀線或微帶線的金屬導電條的寬度與其他輸出支路上的帶狀線或微帶線的金屬導電條的寬度不同。
5.如權利要求3所述的微波天線，其特征在于，所述不等分功分器的輸出支路是通過具有矩形橫截面的波導管實現的，其中從輸入支路到輸出支路的耦合點位于波導管矩形橫截面的長邊一側。
6.如權利要求5所述的微波天線，其特征在于，當所述不等分功分器的輸出支路是通過波導管實現時，至少有一條輸出支路上的波導管內包含有波阻礙結構，使得從所述耦合點向該輸出支路饋送的能量有一部分被所述波阻礙結構反射到其他輸出支路上。
7.如權利要求6所述的微波天線，其特征在于，所述波導管是金屬波導管，且所述波阻礙結構是改變金屬波導管橫截面大小的邊框結構。
8.如權利要求6所述的微波天線，其特征在于，所述波導管是基片集成波導管，且所述波阻礙結構是由位于基片集成波導管中的過孔結構實現的。
9.如權利要求1所述的微波天線，其特征在于，所述不等分功分器具有一條輸入支路和兩條輸出支路，在這兩條輸出支路上分配的功率不同，設具有較小功率分配的輸出支路與具有較大功率分配的輸出支路之間的功率分配之比為1:N，則1.3 < N < 10。
10.如權利要求1所述的微波天線，其特征在于，所述饋電網絡還包括串行傳輸線，其中所述串行傳輸線與所述天線輻射單元處于同一個平面內。
11.如權利要求1至10中任一項所述的微波天線，其特征在于，所述天線輻射單元及所述饋電網絡由多層有機材料微波電路板疊層制造，或者由低溫共燒陶瓷制造。
12.—種微波設備，其具有如權利要求1至11中任一項所述的微波天線、以及與該微波天線電連接的射頻電路，其中所述微波天線和所述射頻電路被安置在一殼體內。
13.如權利要求12所述的微波設備在工業控制系統或車載雷達系統中的應用。
【文檔編號】H01Q23/00GK104409870SQ201410719731
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】趙冰 申請人:趙冰