本發明涉及天線技術領域，具體涉及一種超緊湊的微帶貼片陣列天線。

背景技術：

隨著現代無線通信系統的發展，無線終端一直朝著小型化的方向發展。對于安裝在移動設備終端的微帶陣列天線，我們必須通過減小單元尺寸或者減少單元之間的間距來適應這種有限空間。但是，陣列天線單元間距的減小，最直接的影響就是會使天線陣元間的耦合增大。一個單元的能量可以通過介質板、自由空間等媒介來與周圍陣元產生互耦。這種互耦的存在將會對天線陣的輻射性能產生系列影響，如方向圖畸變、諧振點偏移、信噪比降低等。

目前，降低天線陣列間的互耦工作主要是從兩個方面分析：1，通過改變天線本身的幾何結構或者陣列單元的排布方式來使得天線陣元間的耦合降低；2，通過在相鄰輻射貼片之間加載額外的結構，形成電磁波傳輸的禁帶，從而實現互耦抑制。但是，這些方法很難實現超緊湊型天線陣列(如相鄰貼片之間的距離小于λ/10)。

此外，要實現天線整體結構的小型化，饋電網絡的尺寸應與輻射貼片陣列做相應的壓縮。通常，為了實現等幅同相饋電，陣列天線的饋電網絡充當功分器和相移器的雙重功能。而傳統意義上的移相器通常是采用相位累積的方法來實現，這不利于實現天線系統的小型化。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是現有陣列天線存在尺寸大和單元隔離度差的問題，提供一種超緊湊的微帶貼片陣列天線。

為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種超緊湊的微帶貼片陣列天線，包括介質板、天線陣列和金屬地板；其中天線陣列和金屬地板設置在介質板上；其中天線陣列由2個以上的天線陣列單元組成，每個天線陣列單元包括饋線和輻射貼片；每2個天線陣列單元的輻射貼片之間設有一去耦網絡，且該去耦網絡與這2個輻射貼片之間均留有一定的間隙；每個去耦網絡為2個相互對插的左梳齒和右梳齒所構成的叉指結構；其中左梳齒和右梳齒的結構相同，且兩者相互獨立；所述左梳齒和右梳齒均由指節連接線和位于指節連接線同一側的2個以上的指節構成，指節的延伸方向與指節連接線的延伸方向垂直；左梳齒的指節位于指節連接線的右側；右梳齒的指節位于指節連接線的左側。

上述方案中，每個去耦網絡的左梳齒的指節和右梳齒的指節相互交替間隔設置。

上述方案中，指節連接線的長度長于所有指節并排后所形成的長度。

上述方案中，去耦網絡與輻射貼片位于介質板的同一層。

上述方案中，饋線為微帶式饋線、背饋式饋線或底饋式饋線。

上述方案中，天線陣列單元的饋線上設有至少1個復合左右手移相單元；每個復合左右手移相單元由交指電容、細微帶線和金屬過孔組成；交指電容串設在饋線上，金屬過孔設置在饋線的附近，交指電容和金屬過孔通過細微帶線連接。

上述方案中，不同饋線上的復合左右手移相單元的個數依次變化。

上述方案中，天線陣列單元的饋線與饋源之間設有至少1個T型結。

與現有技術相比，本發明具有如下特點：

1.對于不同工作頻段的天線陣，可以通過調整去耦網絡的尺寸參數來提高陣元間的隔離度；

2.利用所提出結構降低陣元間的電磁互耦，能夠將陣元間的距離壓縮到小于0.08倍波長，達到小型化目的；

3.利用復合左右手傳輸線移相器，能夠解決傳統彎折線構成的移相器所占空間較大的問題。

附圖說明

圖1為一種超緊湊的微帶貼片陣列天線的立體結構示意圖。

圖2為去耦網絡的示意圖。

圖3為復合左右手移相單元的示意圖。

圖4為加載去耦網絡和未加載去耦網絡的陣列天線反射系數S11與耦合系數S21對比圖(虛線為仿真，實線為實測)；(a)為未加載去耦網絡的天線陣列，(b)為加載去耦網絡的天線陣列。

圖5為一種超緊湊的微帶貼片陣列天線及小型化饋電網絡整體S參數仿真與實測對比圖(虛線為仿真，實線為實測)。

圖6為一種超緊湊的微帶貼片陣列天線及小型化饋電網絡整體歸一化的遠場方向圖(虛線為仿真，實線為實測)；(a)為H面，(b)為E面。

圖中標號：1、介質板；2-1、指節；2-2、指節連接線；3-1、饋線；3-2、輻射貼片；4、T型結；5-1、交指電容；5-2細微帶線；5-3、金屬過孔；6、金屬地板。

具體實施方式

一種超緊湊的微帶貼片陣列天線，如圖1所示，由介質板1、天線陣列、金屬地板6、去耦網絡和饋電網絡組成。

介質板1作為整個微帶貼片陣列天線的載體，其上設置有天線陣列、金屬地板6、去耦網絡和饋電網絡。在本發明中天線陣列、去耦網絡和饋電網絡位于介質板1的上表面，金屬地板6位于介質板1的下表面。介質板1的形狀和尺寸根據所承載的天線陣列、去耦網絡和饋電網絡的形狀和尺寸決定。在本發明優選實施例中，介質板1的形狀為凸字形，其中凸字形的上部較小的區域設置饋電網絡，其尺寸長×寬為108mm×23mm凸字形的下部較大的區域設置天線陣列，其尺寸長×寬為150mm×80mm。介質板1的厚度為0.8mm，相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.02。

金屬地板6為印刷于介質板1上的覆蓋金屬層。在本發明優選實施例中，金屬地板6全覆蓋于介質板1的下表面。金屬地板6與天線陣列單元的輻射貼片3-2相互作用，兩者共同構成雙線結構，保證天線的正常工作。

天線陣列由2個以上的天線陣列單元組成，為印刷在介質板1上的金屬結構層，每個天線陣列單元的結構相同，且相互之間相互獨立，即2個天線陣列單元之間存在一定的間距。在本發明優選實施例中，天線陣列單元的個數為3個。天線陣列單元的尺寸是由介質板1的介電常數、損耗角正切、厚度和天線工作頻率決定。在本發明中，每個天線陣列單元由饋線3-1和輻射貼片3-2組成，輻射貼片3-2需覆于在介質板1的表面上，饋線3-1可以采用外接的形式(比如背饋或底饋)，也可以采用覆于在介質板1表面的形式。輻射貼片3-2與饋線3-1直接或耦合連接。在本發明優選實施例中，輻射貼片3-2和饋線3-1均覆于在介質板1的表面上，輻射貼片3-2的形狀為長方形，饋線3-1為長條狀的微帶饋線3-1，輻射貼片3-2與饋線3-1直接連接。

為了在有限的尺寸內減小天線陣列單元之間的相互影響，本發明在每2個天線陣列單元的輻射貼片3-2之間設有一去耦網絡，該去耦網絡與這2個輻射貼片3-2之間均留有一定的間隙。去耦網絡對電磁波的抑制，但不受于饋電形式的限制。參見圖2，每個去耦網絡為2個相互對插的左梳齒和右梳齒所構成的叉指結構。其中左梳齒和右梳齒的結構相同，且兩者相互獨立。所述左梳齒和右梳齒均由指節連接線2-2和位于指節連接線2-2同一側的2個以上的指節2-1構成，指節2-1的延伸方向與指節連接線2-2的延伸方向垂直，且指節連接線2-2的長度長于所有指節2-1并排后所形成的長度。左梳齒的指節2-1位于指節連接線2-2的右側；右梳齒的指節2-1位于指節連接線2-2的左側。左梳齒和右梳齒可以采用整體對插的形式或交替對插的形式。在本發明中，左梳齒和右梳齒為交替對插，即每個去耦網絡的左梳齒的指節2-1和右梳齒的指節2-1相互交替間隔設置。去耦網絡是由交叉指節2-1狀結構構成的諧振結構，其能夠在有限的空間內通過調整相應尺寸(包括指節2-1數量N、寬度n、間距g₂及兩邊的連接線長度L_res等)，來調控電磁波在該結構表面的傳輸特性。在某些特定結構的參數下，達到天線工作頻段去耦目的。

為了提供適當的功率分配比和相位關系，以使天線整體具有要求的輻射方向圖，本發明還設置饋電網絡，該饋電網絡包括復合左右手移相單元和T型結4。其中復合左右手移相單元用于實現各天線陣列單元之間的相位匹配，T型結4用于調節各天線陣列單元之間的功率分配比。為了便于參數調節，本發明需要先進行等功率的匹配調節后，再進行等幅同相的匹配調節，也就是說，饋源先經過T型結4，再經過復合左右手移相單元后，最后與天線陣列單元相接。

本發明采用復合左右手移相單元實現天線的同相饋電。一般情況下，串聯同相饋電的實現是輻射單元之間經過一個整波長的相位延遲，即2個輻射單元間的傳輸線長約一個工作波長。為了超緊湊的天線陣列的同相饋電，饋電網絡的尺寸也需要同步減小，這樣就不可避免導致饋電端口之間的距離小于一個波長，而彎折線的使用能夠通過相位積累來實現饋電網絡端口間移相的作用，但是不可避免地占據更大尺寸。通過增設復合左右手傳輸線移相單元使饋電網絡能夠同相輸出電磁波，同時保證了緊湊型結構。從路的分析方法來看，構成復合左右手傳輸線需要在雙線結構中出現串聯電容與并聯電感。在本發明中，復合左右手移相單元設在天線陣列單元的饋線3-1上。參見圖3，每個復合左右手移相單元由交指電容5-1、細微帶線5-2和金屬過孔5-3組成。交指電容5-1串設在饋線3-1上，交指結構能夠提供復合左右手傳輸線中的串聯電容。金屬過孔5-3設置在饋線3-1的附近，交指電容5-1和金屬過孔5-3通過細微帶線5-2連接，細微帶線5-2通過金屬過孔5-3連接在金屬地板6，即可提供并聯電感。通過改變交指結構的相關參數(包括e、s、lcap等)和細微帶線5-2的相關參數(包括lind和wind)，相應的電容電感值將改變。根據復合左右手傳輸線的相關理論，調整相應的電容電感值，能夠改變電磁波沿著傳輸線的傳輸狀態，達到移相目的。根據需求在各條饋線3-1上設置不同個數的復合左右手移相單元，且不同饋線3-1上的復合左右手移相單元的個數依次變化，即不同饋線3-1上的復合左右手移相單元的個數的變化可以根據設計要求，為線性遞增或非線性遞增的變化關系。在本發明優選實施例中，位于介質板1最右側的天線陣列單元作為所有天線陣列單元的基準，其饋線3-1上不設置復合左右手移相單元，位于中間的天線陣列單元上設置有1個復合左右手移相單元，位于左間的天線陣列單元上設置有2個復合左右手移相單元。

本發明采用T型結4進行等功率分配。天線陣列單元的饋線3-1與饋源之間設有至少1個T型結4，該T型結4實際上有2段微帶線組成，其中一段微帶線的線寬粗于另一段微帶線的線寬，由此形成T字形。本發明優選實施例中，位于介質板1最左側的天線陣列單元與饋源之間設有1個T型結4；位于介質板1中間的天線陣列單元與位于介質板1最左側的天線陣列單元之間設有1個T型結4，即相當于位于介質板1中間的天線陣列單元與饋源之間設有2個T型結4；位于介質板1最右側的天線陣列單元與位于介質板1中間的天線陣列單元之間通過等粗的微帶線連接，即相當于位于介質板1最右側的天線陣列單元與饋源之間設有2個T型結4。經優化參數后的饋電網絡三個輸出端口的輸出功率比為1：1：1。饋電網絡整體結構是由分別將功率分為1：2和1：1的兩個T型結4構成。T型結4最大的優點是在固定一個輸出端阻抗(其他條件不變的情況下，線寬決定阻抗)的情況下，通過改變輸入端和另一個輸出端的阻抗來調節輸出功分比。這樣有利于與阻抗為50Ω的天線饋線3-1連接。其中，阻抗的改變是通過線寬實現，本發明優選實例中，改變線寬的傳輸線長度均為四分之一波長，以適合T型結4與其所連接傳輸線之間的阻抗匹配。

下面通過一個具體實例對本發明的效果進行說明：

天線陣列工作中心頻率為2.4GHz，工作帶寬大于30MHz。輻射貼片3-2邊緣間距為d＝10mm，約為0.08倍波長，該波長為2.4GHz頻率下自由空間波長。饋電端口位于介質板1側邊，其中輻射貼片3-2的尺寸：L＝30mm，W＝30mm，饋線3-1寬度為1.53mm。去耦網絡的尺寸：L_res＝30mm，W_res＝8mm，W_g＝2.96mm，W_s＝1mm，g1＝1mm，g2＝0.67mm，n＝0.17mm。去耦網絡位于輻射貼片3-2之間，但不與其連接，且緊貼于介質板1。

該天線的S參數仿真與實測結果如圖4所示，其中圖4(a)為未加載去耦網絡的天線陣列，圖4(b)為加載去耦網絡的天線陣列。由圖可知，工作在頻率2.4GHz，該天線陣列在加載了去耦網絡后，隔離度S21降至-40dB左右。且在互耦極大程度降低的情況下，天線的工作帶寬受影響小。圖5與圖6為加載去耦網絡和饋電網絡后，近場與遠場方向仿真與實測結果對比圖。圖5為S參數對比圖。可以看出，本發明優選實例在近場結果方面與仿真數據有很高的吻合度；圖6為歸一化的遠場H面與E面對比圖。可以看出，加載了去耦網絡的天線整體，天線輻射主瓣半功率波數寬度(HPBW)寬度E面、H面分別為40°和70°，基本符合陣列天線方向性要求。

本發明利用諧振型的交指結構去耦合網絡進行陣列天線單元間的去耦，能夠大幅度降低相鄰輻射貼片3-2之間的電磁耦合，在保證天線單元優良的帶寬性能情況下，極大降低了陣列間的電磁互耦，保證了一定性能基礎上，達到天線的小型化，從而實現陣列天線的超緊湊型結構。同時利用左右手傳輸線，設計了小型化饋電網絡，最終實現天線陣列整體結構的小型化。本發明具有結構緊湊、去耦效果好、易于加工等優點。

以上介紹了本發明的原理、特性、功能以及相關優點，需要指出的是：以上仿真案例僅用于說明本發明的技術方案，并非限制。對于本行業內的相關人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，所進行的改進也應視為本發明的保護范圍。同時，結合縮比原理，該方法仍然能夠用于其他頻段中貼片型陣列天線中的電磁去耦問題。