一種小型化的多波束天線陣列及與其連接的網(wǎng)絡(luò)合路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬頻帶小型化多波束天線陣列的設(shè)計(jì)和新型合路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]Vivaldi天線是Gibson于1979年提出的一種按指數(shù)規(guī)律漸變的槽線天線，是一種具有寬頻帶、線極化和高增益特性的行波天線。同時(shí)，由于其又具有剖面低，易于制作和成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于寬帶及超寬帶通信系統(tǒng)中。
[0003]傳統(tǒng)的漸變槽線vivaldi天線和各種改進(jìn)的vivaldi天線，如對(duì)踵vivaldi天線和平衡對(duì)踵vivaldi天線等都具有類似的工作原理，即電流通過饋線耦合到槽線金屬板上，沿槽線向開口方向傳播，由金屬邊緣上分布的電流所產(chǎn)生的電場(chǎng)沿槽線一邊向前傳播，一邊進(jìn)行輻射，輻射的最大方向沿槽線漸變方向。作為一種行波天線，在微波頻段要使vivaldi天線實(shí)現(xiàn)很好的指標(biāo)性能，天線單元的輻射槽線長度應(yīng)該大于λ ^，槽線開口寬度要大于C1為最低工作頻率的自由空間波長)，對(duì)于微波頻段的應(yīng)用來說尺寸就顯得過大。
[0004]另外，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)天線的性能要求日益提高，單個(gè)天線的性能如方向圖、波束寬度和增益要求等有時(shí)候不能滿足系統(tǒng)的要求，因此對(duì)于一些特殊的應(yīng)用需要通過天線陣列來實(shí)現(xiàn)所需要的性能指標(biāo)。對(duì)于水平方向360度全方位覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景，通常采用多波束技術(shù)來達(dá)到所需要的覆蓋范圍，例如采用η波束，每個(gè)天線是一個(gè)獨(dú)立波束的傳統(tǒng)方式來設(shè)計(jì)多波束天線陣列，則天線的尺寸應(yīng)該增加η倍。然而，單個(gè)天線往往無法達(dá)到系統(tǒng)提出的指標(biāo)要求，例如波束寬度太寬。此時(shí)則需要m個(gè)天線單元的小陣列來實(shí)現(xiàn)一個(gè)波束，則天線的尺寸應(yīng)該增加mXn倍。這種天線無疑在尺寸方面無法滿足系統(tǒng)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種小型化的多波束天線陣列及與其連接的網(wǎng)絡(luò)合路，能夠有效減小天線陣列的體積，并提供覆蓋水平方向全向的、而且更窄的水平波束，對(duì)于所述陣列用于接收并測(cè)量信號(hào)的系統(tǒng)，能夠提供更高的測(cè)量精度。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種小型化的多波束天線陣列及與其連接的網(wǎng)絡(luò)合路，包括多組天線單元和合路網(wǎng)絡(luò)，所述多組天線單元分別圍繞合路網(wǎng)絡(luò)呈圓形均勻排布；所述每組天線單元包括單級(jí)vivaldi天線和低噪聲放大器，所述單級(jí)vivaldi天線與低噪聲放大器連接，經(jīng)一分三功率分配器與合路網(wǎng)絡(luò)連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述天線單元為八組，各組天線單元之間的夾角為45°。
[0009]進(jìn)一步的，所述合路網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)一分三功率分配器設(shè)置在圓柱形金屬腔中，所述多個(gè)天線單元設(shè)置在圓形金屬地板上與對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的多個(gè)一分三功率分配器連接。
[0010]進(jìn)一步的，所述單級(jí)vivaldi天線由上至下依次包括金屬片、介質(zhì)基板一和微帶饋線，所述金屬片為指數(shù)漸變金屬片，所述指數(shù)漸變金屬片上部設(shè)有多個(gè)矩形縫隙，所述指數(shù)漸變金屬片下部設(shè)有半圓形腔，所述的低噪聲放大器安裝在所述的單極vivaldi天線的背面，與所述微帶饋線的直接連接。
[0011 ] 進(jìn)一步的，所述合路網(wǎng)絡(luò)為多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)，所述多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)包括第一層微帶網(wǎng)絡(luò)和第一層金屬地板、第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)和第二層金屬地板、第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)和第三層金屬地板，且分別通過介質(zhì)基板二間隔，所述第一層金屬地板、第二層金屬地板和第三層金屬地板通過對(duì)應(yīng)的金屬通孔連接，所述第一層微帶網(wǎng)絡(luò)和第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)應(yīng)的金屬通孔連接，所述第一層微帶網(wǎng)絡(luò)和第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)應(yīng)的金屬通孔連接。
[0012]進(jìn)一步的，所述第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)和第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)均由四組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，且所述第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)或第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元之間相互正交，所述第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)與第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)上的各組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元相間設(shè)置。
[0013]進(jìn)一步的，所述第一層微帶網(wǎng)絡(luò)包括與所述第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)和第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)18對(duì)應(yīng)數(shù)量和位置的微帶線，所述第一層微帶網(wǎng)絡(luò)上的微帶線由具有50歐姆特性阻抗的微帶線構(gòu)成，用于信號(hào)的輸入和信號(hào)的輸出。
[0014]進(jìn)一步的，所述每組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元上的一條微帶線分別與第一層微帶網(wǎng)絡(luò)上各自對(duì)應(yīng)位置的微帶線連接，所述每組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元的另外兩條微帶線，分別與鄰組的三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元所對(duì)應(yīng)的第一層微帶網(wǎng)絡(luò)上兩條微帶線連接，即而實(shí)現(xiàn)每組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元與三組天線單元相連接。
[0015]進(jìn)一步的，所述各組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元由邊緣向圓心的方向依次包括50歐姆的帶狀線、16.7歐姆的帶狀線、21.2歐姆的帶狀線、28.8歐姆的帶狀線、39.4歐姆的帶狀線和50歐姆的帶狀線；其中所述21.2歐姆的帶狀線、28.8歐姆的帶狀線和39.4歐姆的帶狀線的長度均為四分之一介質(zhì)波長，該三段阻抗不同的帶狀線構(gòu)成三階切比雪夫阻抗變換器，實(shí)現(xiàn)各組三合一的帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)單元的阻抗從16.7歐姆到50歐姆的阻抗變換。
[0016]進(jìn)一步的，所述第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)和第一層微帶網(wǎng)絡(luò)通過金屬孔連接，并通過第一層微帶網(wǎng)絡(luò)的50歐姆微帶線引出，所述金屬孔周圍分布四個(gè)連接各層金屬地板的金屬化通孔。
[0017]有益效果:對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下:
[0018]1、傳統(tǒng)的Vivaldi天線單元要實(shí)現(xiàn)很好的指標(biāo)性能，天線單元的輻射槽線長度應(yīng)該大于Aci，槽線開口寬度要大于λ/2，對(duì)于微波頻段的應(yīng)用來說尺寸就顯得過大。而本發(fā)明使用單極Vivaldi天線單元，與傳統(tǒng)Vivaldi天線單元相比，尺寸減小一倍，并且能夠達(dá)到相同的性能。
[0019]2、對(duì)于需要覆蓋水平方向360度的多波束天線陣列，如采用η波束，每個(gè)天線是一個(gè)獨(dú)立波束的傳統(tǒng)方式來設(shè)計(jì)多波束天線陣列，由于天線單元之間呈圓形排列，相互之間間距較小，則互相之間影響較大，而且單個(gè)天線波束較寬，不利于接收水平某個(gè)方向的信號(hào)。本發(fā)明使用三個(gè)天線單元的小型陣列作為一個(gè)單元，因而具有更窄的波束，接收某一特定方向的信號(hào)的能量更強(qiáng)，測(cè)量精度更高。
[0020]3、對(duì)于傳統(tǒng)的用三個(gè)天線單元的小型陣列作為一個(gè)單元來組成圓形陣列的陣列排布方式，體積則為單天線組成圓形陣列的陣列排布方式尺寸增加三倍。而本發(fā)明通過提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)，使得用三個(gè)天線單元的小型陣列作為一個(gè)單元來組成圓形陣列的陣列排布方式與單天線組成圓形陣列的陣列排布方式的尺寸相同，而性能卻大大提尚。
[0021]4、本發(fā)明提供的一種多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的制作工藝為PCB工藝，制作工藝簡單，成本低，能夠進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明小型化多波束天線陣列和合路網(wǎng)絡(luò)的總體級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明中單個(gè)天線單元與多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明整個(gè)天線陣列的總體結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0025]圖4是本發(fā)明中單個(gè)天線單元與圓柱形金屬腔的相對(duì)位置示意圖。
[0026]圖5是本發(fā)明中單個(gè)天線單元的分層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖6是本發(fā)明中單個(gè)天線單元的主視圖。
[0028]圖7是本發(fā)明多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖8是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的第一層微帶網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖9是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的第二層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖10是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的第三層帶狀線合路網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖11是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的連接各層金屬地板的金屬化通孔，和連接各層微帶網(wǎng)絡(luò)的金屬化通孔的排列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖12是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的各層微帶網(wǎng)絡(luò)和金屬化通孔相對(duì)位置排布的俯視圖。
[0034]圖13是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)單個(gè)三合一微帶合路網(wǎng)絡(luò)單元的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖14是本發(fā)明中的多層PCB合路網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)三合一微帶合路網(wǎng)絡(luò)單元、連接各層金屬地板的金屬化通孔、和連接各層微帶網(wǎng)絡(luò)的金屬化通孔具體排布的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面將結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但是本發(fā)明的實(shí)施方法和要求保護(hù)的范圍并不局限于此。
[0037]本發(fā)明一種小型化的多波束天線陣列及與其連接的網(wǎng)絡(luò)合路，圖1、圖2所示結(jié)構(gòu)為本發(fā)明小型化多波束天線陣列和合路網(wǎng)絡(luò)的總體級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要包括多組天線單元I和合路網(wǎng)絡(luò)，所述多組天線單元I分別圍繞合路網(wǎng)絡(luò)呈圓形均勻排布；所述每組天線單元I包括單級(jí)vivaldi天線和低噪聲放大器12，所述單級(jí)vivaldi天線與低噪聲放大器12連接，經(jīng)一分三功率分配器與合路網(wǎng)絡(luò)連接。
[0038]如圖3所示為整個(gè)天線陣列的總體結(jié)構(gòu)