《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》是清華大學、同方威視技術股份有限公司於2013年8月15日申請的專利，該專利的公布號為CN104377450A，授權公布日為2015年2月25日，發明人是趙自然、陳志強、李元景、吳萬龍、楊潔青、劉文國、羅希雷、桑斌、鄭磊。
《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》公開了一種波導喇叭陣列及其方法和天線系統。該陣列包括：矩形金屬板，其中，沿著所述矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽。利用上述方案，使天線在頻寬、方向性等方面保持良好的性能，同時提高系統收發天線的隔離度。
2020年7月14日，《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：波導喇叭陣列及其方法和天線系統
- 申請人：清華大學、同方威視技術股份有限公司
- 申請日：2013年8月15日
- 申請號：2013103568801
- 公布號：CN104377450A
- 公布日：2015年2月25日
- 發明人：趙自然、陳志強、李元景、吳萬龍、楊潔青、劉文國、羅希雷、桑斌、鄭磊
- 地址：北京市海淀區清華園1號
- Int. Cl.：H01Q13/02(2006.01)I、H01Q21/28(2006.01)I、H01Q13/08(2006.01)I、H01Q1/36(2006.01)I等；
- 代理機構：中科專利商標代理有限責任公司
- 代理人：王波波
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在毫米波全息成像技術中，為了得到被測目標三維圖像，必須通過一定頻寬的頻率掃描來獲取完整的數據信息。在掃描系統中，收發天線位於最前端，負責向被測物體發射信號並接收從被測物體反射回來的信號，對系統集成的收發天線有以下幾點要求：（1）體積小，便與集成；（2）方向性強，主波束方向正對被測物體；（3）寬頻帶，滿足系統對頻率頻寬的要求。
在系統化集成中，對掃描收發天線有一系列的要求，從小型化、方向性、便於與系統整合等幾點綜合考慮，微帶天線是一個非常好的選擇。但普通的微帶天線頻寬普遍較窄，以電壓駐波比＜2為標準計算，相對頻寬一般＜10％。以頻率中心為30吉赫的天線為例，電壓駐波比＜2的工作頻寬為3吉赫，這樣的頻寬遠不能滿足使用需求。
通常，微帶天線增加頻寬的幾種方式如下：（1）降低等效電路Q值：（2）增大介質厚度，降低介質介電常數εr，增大介質損耗角正切tgδ等，這種方法使天線的損耗較大；（3）附加寄生貼片，或採用電磁耦合等；（4）設計阻抗匹配網路，但匹配網路大大增加了天線尺寸；（5）利用陣列技術。
通過上述不同的方式展寬頻帶一般都要以體積的增大或效率的下降，同時不同方式的展寬頻帶也使得天線的方向圖發生相應的變化。
毫米波寬頻天線已有多年的發展歷史，相應的技術都有較完備的發展。但針對該文提出的方向性這點要求，同時擴展頻帶並有較強的方向性的技術並不常見，一般的擴展頻帶的方法中，常採用介質板開槽或加入寄生貼片技術，這些技術只能解決天線的頻寬要求，其方向性較低。
發明內容
專利目的
《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》提出了一種與小尺寸的微帶天線匹配的波導喇叭陣列及其方法和天線系統。
技術方案
在《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》的一個方面，提出了一種波導喇叭陣列，包括：矩形金屬板；其中，沿著所述矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽。
優選地，在所述溝槽中形成多個螺紋孔，以將波導喇叭陣列與陣列天線耦接。
優選地，所述溝槽的寬度為3.0毫米-5.0毫米，深8.0毫米-12.0毫米。
在《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》的另一方面，提出了一種形成波導喇叭陣列的方法，包括步驟：沿著矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽。
優選地，所述方法還包括步驟：在所述溝槽中形成多個螺紋孔，以將波導喇叭陣列與陣列天線耦接。
在《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》的另一方面，提出了一種天線系統，包括：天線陣列，包括：矩形的介質材料基板，多個輻射貼片，沿著所述介質材料基板的長度方向間隔地排列，並且形成在所述介質材料基板的上表面上；多個耦合貼片，與所述多個輻射貼片相應地設定，每個耦合貼片形成在所述介質材料基板的上表面上，從所述介質材料基板的一邊延伸到距離相應輻射貼片預定距離的位置；波導喇叭陣列，包括矩形金屬板，其中，沿著所述矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽；其中，所述波導喇叭陣列的各個矩形波導的尺寸與所述輻射貼片的尺寸相同並且各個矩形波導與相應的輻射貼片耦合。
優選地，所述陣列天線包括金屬支撐件，設定在所述介質材料基板的下表面，並且從所述介質材料基板的下表面向下延伸接地，在所述介質材料基板下方形成預定厚度的空氣層。
優選地，所述空氣層厚度為0.5毫米-3.0毫米。
優選地，所述金屬支撐件具體為銅板，設定在所述介質材料基板的兩邊。
優選地，所述銅板的寬度為0.4毫米-0.6毫米。
改善效果
利用上述方案，使天線在頻寬、方向性等方面保持良好的性能，同時提高系統收發天線的隔離度。
附圖說明
圖1示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的俯視圖；
圖2示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的右視圖；
圖3示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的正視圖；
圖4示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的底視圖；
圖5示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的沿著圖1所示方向的截面圖；
圖6示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》實施例的微帶天線的駐波比示意圖；
圖7示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》實施例的微帶天線在28吉赫時的方向圖，紅色與藍色分別為Phi＝0°與Phi＝90°；
圖8示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》另一實施例的陣列天線的示意圖；
圖9示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》另一實施例的波導喇叭陣列的俯視圖；
圖10示出了如圖9所示的波導喇叭陣列的截面圖；
圖11示出了收發天線的駐波比的示意圖；
圖12示出了陣列天線的方向圖；
圖13示出了未增加喇叭口陣列時陣列天線的隔離度；
圖14示出了增加了喇叭口陣列時陣列天線的隔離度。
技術領域
《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》涉及微帶天線，具體涉及寬頻天線技術領域。
權利要求
1.一種波導喇叭陣列，包括：矩形金屬板，其中，沿著所述矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽。
2.如權利要求1所述的波導喇叭陣列，其中在所述溝槽中形成多個螺紋孔，以將波導喇叭陣列與陣列天線耦接。
3.如權利要求1所述的波導喇叭陣列，其中所述溝槽的寬度為3.0毫米-5.0毫米，深8.0毫米-12.0毫米。
4.一種形成波導喇叭陣列的方法，包括步驟：沿著矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽。
5.如權利要求4所述的方法，還包括步驟：在所述溝槽中形成多個螺紋孔，以將波導喇叭陣列與陣列天線耦接。
6.一種天線系統，包括：天線陣列，包括：矩形的介質材料基板，多個輻射貼片，沿著所述介質材料基板的長度方向間隔地排列，並且形成在所述介質材料基板的上表面上；多個耦合貼片，與所述多個輻射貼片相應地設定，每個耦合貼片形成在所述介質材料基板的上表面上，從所述介質材料基板的一邊延伸到距離相應輻射貼片預定距離的位置；波導喇叭陣列，包括矩形金屬板，其中，沿著所述矩形金屬板的長度方向在所述矩形金屬板上加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導，每個孔的上段形成喇叭口；以及在所述矩形金屬板的上表面上所述孔的兩側形成預定深度的沿著所述多個孔的排列方向延伸的溝槽；其中，所述波導喇叭陣列的各個矩形波導的尺寸與所述輻射貼片的尺寸相同並且各個矩形波導與相應的輻射貼片耦合。
7.如權利要求6所述的天線系統，其中所述陣列天線包括金屬支撐件，設定在所述介質材料基板的下表面，並且從所述介質材料基板的下表面向下延伸接地，在所述介質材料基板下方形成預定厚度的空氣層。
8.如權利要求7所述的天線系統，其中所述空氣層厚度為0.5毫米-3.0毫米。
9.如權利要求6所述的天線系統，其中所述金屬支撐件具體為銅板，設定在所述介質材料基板的兩邊。
10.如權利要求9所述的天線系統，其中所述銅板的寬度為0.4毫米-0.6毫米。
實施方式
為了獲得寬頻帶、方向性強且尺寸小的天線，《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》的一些實施例提出了一種寬頻貼片天線。該天線包括：矩形的介質材料基板；輻射貼片，形成在所述介質材料基板的上表面上；耦合貼片，形成在所述介質材料基板的上表面上，從所述介質材料基板的一邊延伸到距離所述輻射貼片預定距離的位置；金屬支撐件，設定在所述介質材料基板的下表面，並且從所述介質材料基板的下表面邊緣附近向下延伸接地，在所述介質材料基板下表面與地之間形成預定厚度的空氣層。上述實施例的天線工作在高頻率上（例如，中心頻率在K-Ka波段，毫米波天線），並且相對頻寬在20％以上，將主波束集中在天線上方的空間內，使大部分能量能夠用於有效檢測。此外，該天線尺寸小，例如天線尺寸與工作波長相當。
圖1、圖2、圖3、和圖4分別示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的俯視圖、右視圖、正視圖和底視圖。如圖1所示，該天線包括舉行的介質材料基板110、輻射貼片120、耦合貼片130。如圖3所示，該天線採用增加空氣層160介質及電磁耦合的方式擴展頻寬，採用50歐姆微帶線邊饋。
如圖所示，輻射貼片120形成在介質材料基板110的上表面上。耦合貼片130形成在介質材料基板110的上表面上，從介質材料基板110的一邊延伸到距離輻射貼片120預定距離的位置。金屬支撐件140設定在介質材料基板110的下表面，並且從介質材料基板110的下表面邊緣附近向下延伸接地150，在介質材料基板110下表面與地之間形成預定厚度ha的空氣層160。
在一些實施例中，介質材料基板110採用Rogers5880的介質材料，厚度範圍為0.2毫米-0.4毫米，優選為0.254毫米，介電常數ε大於2，優選為2.2，損耗角正切為0.0009。介質材料基板長6.5毫米-8.5毫米，優選為7.8毫米，寬5毫米-7毫米，優選為6.1毫米。
在一些實施例中，空氣層160的厚度ha為0.5毫米-3.0毫米，優選為1.0毫米。耦合貼片130的長度1p1為1.5毫米-2.5毫米，優選為＝1.9毫米，寬度wp1為0.5毫米-1.2毫米，優選為0.8毫米。輻射貼片120的長度1p為4.0毫米-5.0毫米，優選為2.7毫米，寬度wp為2.0毫米-3.0毫米，優選為4.5毫米。饋電貼片120與耦合貼片130間距離d為0.4毫米-0.5毫米，優選為0.45毫米。此外，介質材料層160背面設定有支撐件，具體為銅板，其寬度為0.4毫米-0.6毫米，優選為0.5毫米，這一方面對介質材料層110起到支撐作用，同時在安裝時保證良好的接地性。
圖5示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》一個實施例的微帶天線的沿著圖1所示方向的截面圖。如圖5所示，金屬支撐部件140設定在介質材料層下表面的邊緣，並且向下延伸（圖5的剖面圖中向右延伸）。
圖6示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》實施例的微帶天線的駐波比示意圖。如圖2所示，天線的VSWR＜2的阻抗頻寬10吉赫（23吉赫-33吉赫），中心頻率為28吉赫，相對頻寬為35.7％，達到了超寬頻天線的要求。圖7示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》實施例的微帶天線在28吉赫時的方向圖，實線與虛線分別為Phi＝0°與Phi＝90°。從圖7可以看出，天線主波束位於輻射面正上方，符合套用要求。
雖然上面結合了具體的尺寸來製作天線，但是該領域的技術人員可以可通過適當更改參數值來改變中心頻率及相對頻寬。
以上描述的是單個微帶天線的結構。該領域的技術人員可以將其形成為天線陣列。圖8示出了根據《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》另一實施例的陣列天線的示意圖。如圖8所示，該天線陣列可以為發射天線或接收天線。在一些實施例中，天線陣列包括多個一維排列的如圖1所示的寬頻貼片天線。在其他實施例中，也可以給多個上述的貼片天線設定單一的金屬支撐件。
在一些實施例中，提供了一種陣列天線，包括矩形的介質材料基板，將多個輻射貼片和多個耦合貼片相應地設定在介質材料基板的上表面。例如，多個輻射貼片沿著介質材料基板的長度方向間隔地排列，並且形成在介質材料基板的上表面上。多個耦合貼片與多個輻射貼片相應地設定，每個耦合貼片形成在介質材料基板的上表面上，從介質材料基板的一邊延伸到距離相應輻射貼片預定距離的位置。該陣列天線還包括金屬支撐件，設定在介質材料基板的下表面，並且從介質材料基板的下表面的邊緣附近向下延伸接地，在介質材料基板下表面和地之間形成預定厚度的空氣層。按照這樣的方式，可以形成具有多個寬頻貼片天線的天線陣列。
發射天線和接收天線之間的隔離度通信系統中一個重要的指標。當隔離度較低時，發射信號會串擾到接收信號中的信號強度較高，通信質量相應降低。通常，天線隔離度是指一個天線發射信號，通過另一個天線接收的信號與該發射天線信號的比值。
為了提高隔離度，可以在收發天線之間的電磁耦合通道上設定障礙阻擋電磁耦合，或者採用雙工狀態的收發天線，發射與接收分別採用正交線極化或正交圓極化。此外，還可以在收發天線之間增加另外一個耦合通道，使其與原耦合信號抵消。
在一些實施例中，可以給上述的毫米波微帶天線陣列設計與之匹配的波導喇叭輻射器，在保證原有收發天線的寬頻及方向性的基礎上，提高收發天線的隔離度。
在一些實施例中，天線陣列中的單個天線採用上述增加空氣介質層和電磁耦合的方式擴展頻寬，並且採用50歐姆微帶線邊饋。整體系統採用一維天線陣列，天線中心間距為8.0毫米-15.0毫米，優選為10.4毫米，收發天線之間相對位置如圖8所示，收發天線垂直間距為20毫米-40毫米，優選為30毫米，水平相對位置為4.0毫米-6.0毫米，優選為5.2毫米，天線陣列的工作狀態為單收單發。
天線陣列中的微帶天線可以按照如圖1所示的實施例來設計。與所述天線陣列匹配的喇叭輻射器包括矩形波導和喇叭。例如，在一些實施例中輻射器的喇叭口由一段矩形波導及喇叭本身組成。矩形波導尺寸與對應的微帶天線的貼片尺寸一致。
如圖9和10所示，在一些實施例中，提供了一種波導喇叭陣列。在矩形金屬板211上，沿著矩形金屬板211的長度方向加工出的截面為矩形的多個孔，每個孔下段形成矩形波導214，每個孔的上段形成喇叭口213。在矩形金屬板的上表面上那些孔的兩側形成預定深度的沿著多個孔的排列方向延伸的溝槽212。例如，喇叭高度為10毫米-14毫米，優選為13毫米，喇叭口寬度與波導寬度一致，喇叭口長9-12毫米，優選為11毫米。在喇叭陣列兩側加上兩個2毫米寬的金屬壁，其中兩側的金屬槽對稱，對稱的金屬槽使加上波導喇叭口後的天線方向圖保持對稱。
此外，在溝槽212中形成多個螺紋孔（未示出），以將波導喇叭陣列與天線陣列耦接。在一些實施例中3、如權利要求1所述的波導喇叭陣列，其中溝槽212的寬度為3.0毫米-5.0毫米，優選4毫米，深8.0毫米-12.0毫米，優選10毫米。
圖11和圖12分別為收發天線的駐波比和天線方向圖，圖13和圖14分別為增加喇叭口陣列前後的天線隔離度對比。從圖11圖12可以看出，增加了波導喇叭口後的天線仍然保持了寬頻帶、主波束方向集中、尺寸小的優點，VSWR＜2的頻寬為22.8吉赫-30.5吉赫，相對頻寬達到28.9％。從圖13和圖14的對比可以看出，波導喇叭口陣列使得隔離度增加5-10dB。總的來說這種新型的喇叭口陣列很好的達到了提高隔離度的目的。
可見，根據上述實施例的微帶天線具有體積小，便於集成的優點。並且上述將微帶天線與波導喇叭輻射器結合的實施例，使天線在頻寬、方向性等方面保持良好的性能，同時提高系統收發天線的隔離度。
榮譽表彰
2020年7月14日，《波導喇叭陣列及其方法和天線系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
