微帶天線陣列的制作方法

專利名稱：微帶天線陣列的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及涉及智能交通系統中的專用短程通信(DSRC)技術領 域，特別是一種用于專用短程通信設備中的微帶天線陣列。
背景技術：
專用短程通信(Dedicated Short Range Communication,簡稱DSRC)是 通過特定的車載設備(本文稱為電子標簽，On-Board Units,簡稱OBU)與 路邊設備(本文稱為微波基站，Road-Side Units,簡稱RSU)之間的無線通 信，實現車輛與路網、車輛與車輛之間的信息交互，并結合計算機信息技術 和自動控制技術可實現電子不停車收費(Electronic Toll Collection,簡稱 ETC)、車輛自動辨識(AVI)、運輸車輛電子自動管理、海關智能通關、車 輛安全駕駛誘導、交通信息廣播等智能交通(ITS)子系統，是道路電子化 方面的首選手段和基礎性技術。天線作為專用短程通信(DSRC)設備中無線電信號接收、發射的終端， 它有兩方面的作用 一是將來自預定空間的電磁波轉換為電流信號；二是將 電流信號轉換為空間電磁波并向預定空間輻射出去，以滿足專用短程通信 (DSRC)設備在預定區域內的通信要求。隨著各種無線電設備數量的不斷增加，設備間的距離逐漸減小。在這種 情況下，為了避免設備間的相互干擾，對接收、發射天線的方向性提出了較 高的要求。接收、發射天線除了滿足對應用區域內的覆蓋，還要避免覆蓋到 應用區域以外，以防止對臨近設備造成干擾和臨近設備對自身設備造成干 擾。因此，設計出覆蓋區域合理的天線就顯得十分必要，這就需要天線陣列 的副瓣電平盡量低。根據陣列天線理論，均勻陣列的副瓣電平不會低于 -13.5dB，這樣的副瓣電平不能滿足DSRC通信的覆蓋要求，必須對陣列各單
元進行不等幅的激勵。由于智能交通系統中的專用短程通信設備都是安裝在室外，并且一般采 用懸掛在立柱或支架上的安裝方式，因此，如果設備的體積太大，必然會影 響其安裝的穩定性、防風能力等，從外觀上來說，太大的體積也會影響設備 外形的美觀。所以，智能交通系統中的專用短程通信設備的小型化是很有必 要的。而天線的尺寸是影響該設備體積最主要的因素之一，故在保證天線性 能的前提下縮小天線的尺寸是十分有意義的。微帶天線有諸多優點，如低剖面、低成本、饋電靈活、易于實現圓極化 等，這種形式的天線已經廣泛應用于各種無線通信領域，但目前尚未看到微帶陣列天線應用于智能交通系統中專用短程通信(DSRC)設備的專利文獻。 發明內容針對上述實際問題，本實用新型的目的在于提供一種覆蓋區域合理，縮 小天線陣列尺寸的微帶天線陣列。本實用新型所采用的技術方案 一種微帶天線陣列，包括由若干微帶天線單元組成的天線陣列結構，以及陣列饋電網絡，所述陣列饋電網絡通過傳 輸線向天線陣列結構中的各微帶天線單元提供激勵，所述陣列饋電網絡中的 相鄰傳輸線之間設有耦合隔離元件，用于隔離相鄰傳輸線之間的電磁耦合。上述天線陣列結構是由16個微帶天線單元組成的4x4陣列，陣列中相 鄰微帶天線單元的行間距、列間距均相等。所述微帶天線單元的行間距為 0.8 0.9個空間波長，列間距為0.6 0.7個空間波長。上述微帶天線單元為圓極化微帶天線單元。所述微帶天線單元的主極化 特性為左旋圓極化，或者右旋圓極化。上述微帶天線單元為微帶貼片天線，或者微帶槽縫天線。
上述傳輸線為微帶傳輸線，或者共面波導傳輸線，或者帶狀線傳輸線。 上述耦合隔離元件為金屬化通孔，或者非中空的金屬銷釘，或者金屬壁， 或者跨越傳輸線。上述陣列饋電網絡與微帶天線單元可以處于同一介質層，其傳輸線直接 與微帶天線單元連接，并為微帶天線單元提供激勵。所述陣列饋電網絡與微 帶天線單元亦可以處于不同介質層，其傳輸線不與微帶天線單元直接連接， 通過耦合方式為微帶天線單元提供激勵。Ff述陣列饋電網絡與微帶天線單元 還可以處于不同介質層，其傳輸線通過金屬銷釘與微帶天線單元連接，并為 線單元提供激勵。上述天線陣列結構中處于陣列中心、陣列邊緣、以及陣列邊緣角落的微 帶天線單元所受的激勵信號互不相等。 本實用新型具有以下顯著特點-(1) 通過在陣列饋電網絡的相鄰傳輸線之間增加電磁耦合隔離元件，使 相鄰傳輸線之間的間距大大縮減，可以大幅度的減小饋電網絡所占據的空 間，從而縮小整個微帶天線陣列的尺寸。(2) 選取幅度坡變的激勵信號對微帶天線陣列激勵，使得該天線擁有很 低的副瓣電平，使專用短程通信(DSRC)設備具有較高的通信質量，并且 不干擾其它設備和被其它設備干擾。(3) 該微帶天線的整體尺寸小，使專用短程通信(DSRC)設備具有較 小的體積以滿足設備的穩定安裝、防風等要求；并可以減少天線所采用的介 質基片。


圖1為本實用新型所述微帶天線陣列的結構示意圖2為兩相鄰微帶傳輸線之間加載金屬通孔的結構示意圖；圖3為兩相鄰微帶傳輸線之間加載金屬銷釘的結構示意圖；圖4為兩相鄰微帶傳輸線之間加載金屬壁的結構示意圖；圖5為兩相鄰共面傳輸線之間加載跨越傳輸線的金屬橋的結構示意圖；圖6以微帶傳輸線和微帶貼片天線為例子，說明饋電網絡中的饋線與微帶天線單元處于同一層，饋線直接與天線相連，并為其提供激勵的情況的結構示意圖；圖7以微帶傳輸線和微帶貼片天線為例子，說明饋電網絡中的饋線與微 帶天線單元處于不同層，饋線不與天線直接相連，通過耦合為其提供激勵的 情況的結構示意圖；圖8以共面波導傳輸線和微帶貼片天線為例子，說明饋電網絡中的饋線 與微帶天線單元處于不同層，饋線通過銷釘與天線相連，并為其提供激勵的 情況的結構示意圖。上述各附圖中的標號意義為1為微帶天線陣列中心的微帶天線單元，2 為微帶天線陣列邊緣的微帶天線單元，3為微帶天線陣列邊緣角落的微帶天 線單元，4為饋電網絡，5為金屬化通孔，6為相鄰的兩條微帶傳輸線，7為 介質基片背面傳輸線的金屬地面，8為非中空的金屬銷釘，9為金屬壁，10 為相鄰的兩條共面波導傳輸線，11為跨越傳輸線的金屬橋，12為微帶傳輸 線，13為微帶天線單元，14為共面波導傳輸線，15為連接饋線和天線單元 的銷釘，16為饋線和天線單元之間的耦合槽縫。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本實用新型的技術方案及其實施效果作進一 步說明。本實施例采用介電常數為3.38，介質基片厚度為0.813毫米，損耗角正 切小于0.0021的微波介質基片材料，經現代光刻工藝制作，應用于智能交通 系統的專用短程通信(DSRC)設備中，工作中心頻率5.8GHz。如圖1所示，該微帶天線陣列為4x4的面陣結構，總共包含16個微帶 天線單元。微帶天線陣列每一行有四個形式相同的圓極化微帶天線單元，天 線單元之間的列間距相等，約0.6 0.7個空間波長；每一列也有四個形式相 同的圓極化微帶天線單元，天線單元之間的行間距相等，約0.8 0.9個空間 波長。為了使專用短程通信(DSRC)系統具有高的通信質量并且不干擾其它 設備和被其它設備干擾，對處于陣列中不同位置的天線單元使用不同幅度的 信號去激勵，從而大大降低了副瓣電平，使天線陣列能向規定區域輻射電磁 波或接收來自規定區域的電磁波；向規定區域以外輻射的電磁波很弱或幾乎 不能接收來自規定區域以外的電磁波。如圖l，按照微帶天線單元在陣列中 所處位置不同，將其分為三組第一組為處于陣列中心的微帶天線單元l， 第二組為處于陣列邊緣的微帶天線單元2，第三組為處于陣列邊緣角落的微 帶天線單元3。微帶天線陣列由1分16的陣列饋電網絡4通過傳輸線向每 個微帶天線單元提供激勵源，功分網絡由多個1分2的功率分配器組合而成， 通過各個功分器的控制，使陣列周邊的輻射單元的激勵幅度相對較低，以達 到抑制陣列的輻射方向圖副瓣的目的。用相位相同，幅度不同的信號去激勵 處于陣列中不同位置的每個微帶天線單元，如果假定微帶天線單元1的激勵 信號幅度為0.9 1.1，則相對于微帶天線單元l，微帶天線單元2的激勵信 號幅度為0.25 0.35，微帶天線單元3的激勵信號幅度為0.05 0.15。通常，陣列饋電網絡中相鄰兩條微波傳輸線之間的距離如果太近，它們 之間就會有強烈的互相耦合，導致電磁波無法以正常的傳輸線模式在傳輸線上傳播，甚至可能引起很大的反射，電磁能量無法順利通過傳輸線。此外， 微帶天線陣列的饋電網絡隨著天線單元數目的增加會變得越來越龐大，通常是通過多個功率分配器的級聯來構成的，又因為傳輸線之間必須保持一定的 間距以保證電磁能量順利通過傳輸線(對于微帶傳輸線來說，至少要保持三 到五倍線寬的間距)，這樣就使得饋電網絡所占據的空間十分大，整個天線 陣列的尺寸也隨之變大。因此，縮減饋電網絡的尺寸能有效地減小微帶天線陣列尺寸。為了使專用短程通信(DSRC)設備具有較小的體積以滿足設備 的穩定安裝、防風、外形美觀等要求，本實用新型通過縮減陣列饋電網絡4 的尺寸來縮減整個微帶天線陣列的尺寸，從而達到減小專用短程通信 (DSRC)設備體積的目的。本實用新型在陣列饋電網絡4的傳輸線之間設有耦合隔離元件，用于隔 離相鄰傳輸線之間的電磁耦合。所述耦合隔離元件可以是金屬化通孔，或者 非中空的金屬銷釘，或者金屬壁，或者跨越傳輸線等。如圖2所示，在相鄰兩條微帶傳輸線6之間的適當位置設置直徑合適的 金屬化通孔5，金屬化通孔5的一端連接于介質基片背面傳輸線的金屬地面 7。該金屬化通孔5可以有效阻止電磁場從一條傳輸線耦合到另一條傳輸線 上，并且該金屬化通孔的引入不會引起傳輸線上電磁波的反射，即便傳輸線 之間距離很近，也能保持良好的隔離度，電磁波能順利地在傳輸線上傳輸。 這樣就可以使兩條相鄰的傳輸線之間的間距大大縮減，以微帶傳輸線為例， 兩相鄰傳輸線之間的距離可以縮減至不到兩倍線寬。通過這種方式，可以大 幅度的減小饋電網絡所占據的空間，從而縮減了整個微帶天線陣列的尺寸。 金屬化的通孔5的直徑視選用的介質基片和加工精度而定，該實施例的通孔 直徑在1 2毫米之間，通孔距離傳輸線距離不等，在1 2毫米之間，通孔與通孔之間的中心間距保持在2 6毫米。此外，除了利用金屬化通孔5來減小兩相鄰傳輸線之間的距離外，也可以采取其他與金屬化通孔類似的形式來代替通孔，達到同樣的效果。例如圖3所示為在微帶傳輸線6之間增加非中空的金屬銷釘8，金屬銷釘8的一端連接于介質基片背面傳輸線的金屬地面7。圖4所示為在微帶傳輸線6之間增加金屬壁9，金屬壁9的一端連接于介質基片背面傳輸線的金屬地面7。圖5所示為附加跨越共面波導傳輸線10的金屬橋11。上述任何一種方式都可以實現減小兩條相鄰傳輸線之間互相耦合的目的，從而減小饋電網絡所占據的空間，縮減了整個微帶天線陣列的尺寸。微帶天線陣列的饋電網絡4也可以采取多種傳輸線形式，比如微帶傳輸 線6，或者共面波導傳輸線IO，或者帶狀線等，這些傳輸線都可以采用以上 所述的方法來減小兩條相鄰傳輸線之間的互相耦合，從而構成小尺寸的微帶 天線陣列的饋電網絡，設計出小尺寸的微帶天線陣列。該微帶天線陣列的微帶天線單元采用微帶貼片天線形式。貼片為正方 形，邊長近似四分之一個波長，并在相對于饋電邊的右上角切掉一個邊長約 為貼片邊長十分之一的小正方形，饋電點位于貼片一邊的中心點，饋線的特 性阻抗約為100歐姆，長度約四分之一波長，起到給貼片天線饋電和實現阻 抗匹配的作用。貼片天線單元輻射右旋圓極化電磁波，輸入阻抗50歐姆。 輻射右旋圓極化電磁波，半功率波瓣寬度17度，增益14dB，副瓣電平從均 勻陣列的不低于-13.5dB下降到低于-19dB，能滿足對應用區域的覆蓋，避免 對臨近設備造成干擾和臨近設備對本設備造成干擾。所述微帶天線單元也可 以采用微帶槽縫天線的形式。
本實用新型所述陣列饋電網絡4可通過多種形式向天線陣列結構中的各 微帶天線單元提供激勵，以下舉例說明-如圖6所示，以微帶傳輸線和微帶貼片天線為例，所述饋電網絡中的微 帶傳輸線12與微帶貼片天線13處于同一介質層，微帶傳輸線12直接與微 帶貼片天線13連接，并為其提供激勵。如圖7所示，以微帶傳輸線和微帶貼片天線為例，所述饋電網絡中的微 帶傳輸線12與微帶貼片天線13處于不同的介質層，微帶傳輸線12與微帶 貼片天線13互不連接，通過耦合方式為其提供激勵，圖中標號16為微帶傳 輸線和微帶貼片天線之間的耦合槽縫。如圖8所示，以共面波導傳輸線和微帶貼片天線為例，所述饋電網絡中 的共面波導傳輸線14與微帶貼片天線13處于不同的介質層，共面波導傳輸 線14通過銷釘15與微帶貼片天線13連接，并為其提供激勵。通過采用上述技術方案，本實用新型所述微帶天線陣列較普通的微帶天 線陣列擁有較小的尺寸，相鄰傳輸線之間的距離，如果不加金屬化通孔，需 要至少10毫米，通過增加金屬化通孔可以縮減到3 4毫米，使天線陣列在 列方向較普通的微帶天線陣列減小了約50毫米，在行方向較普通的微帶天 線陣列減小了約12毫米。使專用短程通信(DSRC)設備的安裝穩定、防風 等性能和外形美觀性都大為提高。以上所述為本實用新型的最佳實施方式之一，但并不局限于此。在不超 越本實用新型所附權利要求及說明書定義的范圍的前提下，本領域的技術人 員可根據實際情況對具體實施方案進行適應性修改，在此不再累述。
權利要求1. 一種微帶天線陣列，包括由若干微帶天線單元組成的天線陣列結構，以及陣列饋電網絡，所述陣列饋電網絡通過傳輸線向天線陣列結構中的各微帶天線單元提供激勵，其特征在于，所述陣列饋電網絡中的相鄰傳輸線之間設有耦合隔離元件，用于隔離相鄰傳輸線之間的電磁耦合。
2. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述天線陣列結構 是由16個微帶天線單元組成的4x4陣列，陣列中相鄰微帶天線單元的行 間距、列間距均相等。
3. 根據權利要求2所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述微帶天線單元 的行間距為0.8 0.9個空間波長，列間距為0.6 0.7個空間波長。
4. 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的微帶天線陣列，其特征在于， 所述微帶天線單元為圓極化微帶天線單元。
5. 根據權利要求4所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述微帶天線單元 的主極化特性為左旋圓極化，或者右旋圓極化。
6. 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的微帶天線陣列，其特征在于， 所述微帶天線單元為微帶貼片天線，或者微帶槽縫天線。
7. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述傳輸線為微帶 傳輸線，或者共面波導傳輸線，或者帶狀線傳輸線。
8. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述耦合隔離元件 為金屬化通孔，或者非中空的金屬銷釘，或者金屬壁，或者跨越傳輸線。
9. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述陣列饋電網絡 與微帶天線單元處于同一介質層，其傳輸線直接與微帶天線單元連接， 并為微帶天線單元提供激勵。頁
10. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述陣列饋電網絡與微帶天線單元處于不同介質層，其傳輸線不與微帶天線單元直接連接， 通過耦合方式為微帶天線單元提供激勵。
11. 根據權利要求1所述的微帶天線陣列，其特征在于，所述陣列饋電網絡 與微帶天線單元處于不同介質層，其傳輸線通過金屬銷釘與微帶天線單 元連接，并為線單元提供激勵。
12. 根據權利要求1或9或10或11所述的微帶天線陣列，其特征在于，所 述天線陣列結構中處于陣列中心、陣列邊緣、以及陣列邊緣角落的微帶 天線單元所受的激勵信號互不相等。
專利摘要本實用新型公開了一種微帶天線陣列，包括由若干微帶天線單元組成的天線陣列結構，以及陣列饋電網絡，所述陣列饋電網絡通過傳輸線向天線陣列結構中的各微帶天線單元提供激勵，所述陣列饋電網絡中的相鄰傳輸線之間設有耦合隔離元件，用于隔離相鄰傳輸線之間的電磁耦合。本實用新型通過在陣列饋電網絡的相鄰傳輸線之間增加電磁耦合隔離元件，減小傳輸線之間的間距和饋電網絡所占據的空間，從而縮小整個微帶天線陣列的尺寸。另外，選取幅度坡變的激勵信號對微帶天線陣列激勵，使得該天線擁有很低的副瓣電平，使專用短程通信(DSRC)設備具有較高的通信質量，并且不干擾其它設備和被其它設備干擾。
文檔編號H04B7/04GK201081850SQ20072005714
公開日2008年7月2日 申請日期2007年9月18日 優先權日2007年9月18日
發明者李興銳, 杜水榮 申請人:深圳市金溢科技有限公司