阵列天线的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种阵列天线。


背景技术：

2.阵列天线是指由许多相同的单个天线按一定规律进行馈电和空间排列而组成的天线系统，该类天线在方向性上具有突出的优势，因而，现有lte(long term evolution，长期演进)通信天线常常采用阵列天线来实现定向辐射。
3.在lte通信领域的基站和机载等天线安装场景中，lte通信天线一般是多个偶极子天线所组成的阵列天线，且作为阵列天线阵元的各偶极子天线是采用带有金属反射板的偶极子天线，其中，每个偶极子天线使用独立的巴伦进行馈电，天线阵列通过背部设置复杂布线的馈电网络来实现多个偶极子天线的馈电。
4.因而，现有的偶极子阵列天线存在馈电网络复杂的技术问题，这会使得天线布局困难、成本增高以及损耗增大。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种阵列天线，能够降低偶极子阵列天线的馈电网络复杂性。
6.本发明提供了一种阵列天线，所述阵列天线包括多个偶极子天线阵，每个所述偶极子天线阵均包括：
7.介质基片；
8.多个偶极子，每个偶极子包括两个振子并分别贴设在所述介质基片的相对两侧，且每个偶极子中的一个振子在所述介质基片的相对一侧上的投影与另一个振子相连且存在共同连接点；
9.子功分网络，印制在所述介质基片的一侧并包括多个输出端，且一个输出端连接一个所述共同连接点；
10.巴伦，和所述子功分网络的输入端连接。
11.可选地，所述偶极子天线阵包括四个偶极子，其中，每个偶极子中的两个振子均呈环状结构，每个偶极子中的一个振子在所述介质基片的相对一侧上的投影与另一个振子之间呈轴对称结构且包括互相垂直的横向对称轴和纵向对称轴，所述横向对称轴和所述纵向对称轴均通过所述共同连接点，所述四个偶极子在所述介质基片上排成两行两列的阵列，同一行的两个偶极子中的两条横向对称轴同线且两条纵向对称轴相互平行，同一列的两个偶极子中的两条纵向对称轴同线且两条横向对称轴相互平行。
12.可选地，所述子功分网络呈工字型，所述子功分网络包括四个输出端并分别位于所述工字型的四个端点，所述工字型中相互平行的两条横线分别连接竖向排列的两个偶极子中的两个所述共同连接点沿每个所述偶极子的取向设置，所述子功分网络的输入端设置在所述工字型中的竖线中间点。
13.可选地，所述偶极子天线阵还包括：底部为平面且顶部开口的金属反射腔，其中，
14.所述介质基片平行于所述金属反射腔的底部，且在所述金属反射腔的底部的投影位于所述金属反射腔的底部的正中间；
15.所述介质基片设置在所述金属反射腔的顶部上方，且距所述金属反射腔的底部0.25λ，λ为所述阵列天线中心频点对应的波长；
16.所述巴伦从所述金属反射腔外穿过所述金属反射腔底部并和所述子功分网络的输入端连接。
17.可选地，所述阵列天线包括三个所述偶极子天线阵，所述阵列天线还包括：
18.金属反射板，位于三个所述偶极子天线阵的下方，每一个偶极子天线阵的所述金属反射腔的底部与所述金属反射板呈45
°
角的倾斜设置；
19.三个所述偶极子天线阵在所述金属反射板的上方围成一圈且各自的金属反射腔的底部均朝向圈内，且相邻两个偶极子天线阵之间的夹角呈120
°
。
20.可选地，所述阵列天线还包括：
21.总功分网络，印制在基材上，且所述基材贴设在所述金属反射板上，所述总功分网络包括供电能输入的始端和分别与所述始端连接的第一输出结构、第二输出结构和第三输出结构；
22.其中，所述第一输出结构、所述第二输出结构和所述第三输出结构的末端分别与一个所述偶极子天线阵的所述巴伦相连。
23.可选地，所述阵列天线还包括过顶天线，所述过顶天线包括：
24.介质基板，贴设在所述金属反射板的下方；
25.金属探针，一端位于所述介质基板内，另一端作为所述过顶天线的馈电点而相继穿过所述介质基板和所述金属反射板上的目标绝缘区域，且所述目标绝缘区域为上方没有设置所述总功分网络的区域；
26.主辐射贴片，贴设在所述介质基板的下方，并通过所述金属探针提供待辐射的能量。
27.可选地，所述过顶天线还包括贴设在所述主辐射贴片下方的介质隔板。
28.可选地，所述过顶天线还包括寄生辐射贴片，
29.所述寄生辐射贴片贴设在所述介质隔板的下方，且所述寄生辐射贴片在所述主辐射贴片所在平面的投影覆盖所述主辐射贴片。
30.可选地，所述阵列天线还包括呈空腔型的天线罩，所述天线罩的空腔内用于承载三个所述偶极子天线阵、所述过顶天线、所述金属反射板和所述总功分网络。
31.本发明的有益效果是：
32.本发明所提供的阵列天线通过在介质基片相对两侧贴设各偶极子的两个振子以及在介质基片一侧印制子功分网络，实现了将偶极子天线和子功分网络共面设计的目的，进而采用巴伦对一个偶极子天线阵中的所有偶极子进行同时馈电，从而避免了每个偶极子使用独立巴伦馈电所带来的馈电网络复杂的技术问题，达到了降低天线馈电网络复杂性的技术效果。
附图说明
33.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
34.图1示出本发明实施例中一种偶极子天线阵的立体图；
35.图2示出本发明实施例中另一种偶极子天线阵的立体图；
36.图3示出本发明实施例中阵列天线的俯视图；
37.图4示出本发明实施例中阵列天线的立体图；
38.图5示出本发明实施例中过顶天线的俯视图；
39.图6示出本发明实施例中三个偶极子天线阵的方位示意图；
40.图7示出本发明实施例中过顶天线的正视图；
41.图8示出本发明实施例中过顶天线的立体图；
42.图9示出本发明实施例中天线罩的剖面图；
43.图10示出本发明实施例中阵列天线的电压驻波比示意图；
44.图11示出本发明实施例中阵列天线的隔离度示意图；
45.图12示出本发明实施例中偶极子天线阵e面方向图；
46.图13示出本发明实施例中偶极子天线阵h面方向图；
47.图14示出本发明实施例中过顶天线e面方向图。
具体实施方式
48.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
49.在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
50.下面通过附图具体描述本发明的实施例。
51.本发明所提供的阵列天线，包括多个偶极子天线阵。图1所示为阵列天线中偶极子天线阵的一种立体图，其中，实线表示立体图中直观看到的部分，虚线表示立体图中被隐藏的部分。参照图1，每个所述偶极子天线阵100均包括：
52.介质基片110，该介质基片110是厚度为1mm的介质板，例如型号为arlon ad260的介质板；
53.多个偶极子120，每个偶极子120包括第一振子121和第二振子122这两个振子，第一振子121和第二振子122分别贴设在介质基片110的相对两侧(第一振子121以实线表示贴设在介质基片110的正面，第二振子122以虚线表示贴设在介质基片110的背面)且每个偶极子120中的一个振子在介质基片110的相对一侧上的投影与另一个振子相连且存在共同连接点q；
54.子功分网络130，印制在介质基片110的一侧并包括多个输出端，且一个输出端连接一个所述共同连接点q；
55.巴伦140，和子功分网络130的输入端p
in
连接。
56.需要说明的是，上述共同连接点q不一定呈圆形，上述共同连接点q穿过所述介质基片110和各偶极子120的两个振子相连。
57.应当理解的是，每个偶极子120和子功分网络130相连接的共同连接点q即为该偶极子120的馈电点，每个偶极子120中两个振子的对称轴过其馈电点。巴伦140将电能通过子功分网络130的输入端p
in
输入到子功分网络130，子功分网络130在共同连接点q处将电能输入到各个偶极子120。
58.本发明实施例中所提供的阵列天线，通过在介质基片110两侧贴设各偶极子120的两个振子以及在介质基片110的一侧印制子功分网络130，实现了将偶极子120和子功分网络130共面设计的目的，进而采用巴伦140对一个偶极子天线阵100中的所有偶极子120进行同时馈电，从而解决了每个偶极子使用独立巴伦馈电所带来的馈电网络复杂的技术问题，达到了降低天线馈电网络复杂性的技术效果。
59.上述偶极子天线阵100包括四个分布取向相同的偶极子120，参照图1，每个偶极子120中第一振子121和第二振子122这两个振子均呈环状结构，具体地，第一振子121和第二振子122采用如图1所示的正六边形环；每个偶极子120中的一个振子在介质基片110的相对一侧上的投影与另一个振子之间呈轴对称结构且包括互相垂直的横向对称轴和纵向对称轴，横向对称轴和纵向对称轴均通过共同连接点q，具体地，每个偶极子120中的一个振子在介质基片110的相对一侧上的投影与另一个振子相切；四个偶极子120在介质基片上排成两行两列的阵列，具体地，第一行两个偶极子120中两条横向对称轴c1c1'和c4c4'同线，两条纵向对称轴qp1和qp2相互平行；第二行两个偶极子120中两条横向对称轴c2c2'和c3c3'同线，两条纵向对称轴qp1和qp2相互平行；第一列两个偶极子120中两条纵向对称轴同线且皆为qp1，两条横向对称轴c3c3'和c4c4'相互平行；第二列两个偶极子120中两条纵向对称轴同线且皆为qp2，两条横向对称轴c1c1'和c2c2'相互平行。
60.进一步，上述子功分网络130呈工字型，子功分网络130包括四个输出端并分别位于所述工字型的四个端点，所述工字型中相互平行的两条横线分别连接竖向排列的两个偶极子中的两个所述共同连接点，所述子功分网络130的输入端p
in
设置在所述工字型中的竖线中间点；并且，若四个偶极子120的分布取向相同，则所述工字型中竖线沿所述偶极子120的分布取向设置，即，偶极子120中两个振子沿所述工字型中竖线所指方向排列。这里的子功分网络130以一种简洁的结构向四个偶极子120进行并联馈电。
61.需要说明的是，图1中所示的黑色圆点q、p1和p2并不是天线的焊接点或其他实体结构，只是为了描述清楚而标示在子功分网络130上的一些点。
62.图2所示为阵列天线中偶极子天线阵的另一种立体图。参照图2，在一个可选的实施例中，上述偶极子天线阵100还包括：底部为平面且顶部开口的金属反射腔150，其中，
63.介质基片110平行于金属反射腔150的底部，且在金属反射腔150的底部的投影位于金属反射腔150的底部的正中间；
64.介质基片110设置在金属反射腔150的顶部上方，且距金属反射腔150的底部0.25λ，λ为阵列天线中心频点对应的波长；
65.巴伦140从金属反射腔150外穿过金属反射腔150底部并和子功分网络130的输入端p
in
连接。
66.具体地，金属反射腔150呈立方体型，以及，呈立方体型的金属反射腔150的围框高
度h设置为0.11λ；呈立方体型的金属反射腔150的围框转角为弧形以避免尖端放电现象的出现。
67.本发明实施例中，偶极子天线阵100中设置上述金属反射腔150，使得金属反射腔150底部的信号传输性减弱，有利于提高偶极子天线阵100的方向性。
68.图3所示为阵列天线的俯视图，图4所示为阵列天线的立体图。结合图3和图4，在一个可选的实施例中，阵列天线包括三个偶极子天线阵100，还包括：金属反射板200，位于三个偶极子天线阵100的下方，每一个偶极子天线阵100的金属反射腔150的底部与金属反射板200呈45
°
角的倾斜设置；三个偶极子天线阵100在金属反射板200的上方围成一圈且各自的金属反射腔150的底部均朝向圈内，且相邻两个偶极子天线阵100之间的夹角呈120
°
。
69.具体地，若将三个偶极子天线阵100的支撑面标为xy平面，则金属反射板200位于xy平面下方(即位于z轴的负半轴上)且与xy平面平行，金属反射板200作为偶极子天线阵100的接地板；以及，偶极子天线阵100的金属反射腔150的底部与金属反射板200呈45
°
角的倾斜设置，即，图2所示金属反射腔150的边a1a2支撑在xy平面上且金属反射腔150的底部与z轴之间呈45
°
角倾斜。
70.需要说明的是，相邻两个偶极子天线阵100之间的夹角呈120
°
，即，若将各金属反射腔150底部的中心纵轴线o1o2在xy平面上进行投影并将投影记为o1'o2'，则如图6所示，三条轴线o1'o2'都穿过一公共点i0，三个点o2'都落在以i0为圆心的一个圆上，且三条轴线o1'o2'之间是两两间隔角度皆为α，其中，α＝120
°
。此外，本发明实施例中所建立的坐标系xyz以点i0为原点。
71.本发明实施例通过三个间隔120
°
的偶极子天线阵100之间的合理布置，使得阵列天线结构紧凑，且扩大了信号的覆盖范围。
72.进一步，结合图3和图5，阵列天线还包括：总功分网络300，印制在基材上，且所述基材贴设在金属反射板200上方(即位于z轴的正半轴上)，而总功分网络300包括供电能输入的始端301和分别与始端301连接的第一输出结构302、第二输出结构303和第三输出结构304；其中，第一输出结构302、第二输出结构303和第三输出结构304的末端分别与一个偶极子天线阵100的巴伦140相连。具体地，基材300是0.76mm厚的基材；始端301与第一输出结构302、第二输出结构303和第三输出结构304之间通过50ω的同轴线缆连接，进而通过第一输出结构302、第二输出结构303和第三输出结构304提供等幅同向的信号到三个偶极子天线阵100。从而，上述阵列天线在带接地板的同时还将馈电网络通过总功分网络300规整成和金属反射板200一体的简洁结构，并使得金属反射板200、总功分网络300和三个偶极子天线阵100紧凑排布。
73.上述各个巴伦140为从始端到末端的横截面逐渐减小结构，结合图2和图3，各个巴伦140的始端位于金属反射板200的边沿处并各自分别连接第一输出结构302、第二输出结构303和第三输出结构304的电能输出端，各个巴伦140的末端为巴伦140与子功分网络130输入端p
in
连接的一端。从而，上述各个巴伦140为渐变巴伦，上述各个偶极子天线阵100通过使用渐变巴伦实现调节电压阻抗比的目的。
74.在另一个可选的实施例中，金属反射板200在xy平面上的投影位于三个金属反射腔150所围区域的中央，且阵列天线还包括过顶天线。在以下的描述中沿z轴正半轴的方向是向上，而沿z轴负半轴的方向是向下，则结合参照图7和图8，过顶天线400包括：
75.介质基板401，贴设在金属反射板200的下方，其厚度设为2mm；
76.金属探针402，一端位于介质基板401内，另一端作为过顶天线400的馈电点而相继穿过介质基板401以及金属反射板200上的目标绝缘区域403，且目标绝缘区域403为上方没有设置总功分网络300的区域，从而金属探针402不会穿过总功分网络300，这将避免金属探针402对总功分网络300的信号造成干扰；
77.主辐射贴片404，贴设在介质基板401的下方，并通过金属探针402提供待辐射的能量。
78.具体地，上述目标绝缘区域403是如图7所示进一步纵向穿过基材305，从而探针402的馈电端从介质基板401中穿出后进入目标绝缘区域403并穿出目标区域403后裸露在基材305外(图5所示的点m即为金属探针402裸露在外的馈电点)，以利于便捷地被馈电。
79.需要说明的是，金属反射板200在xy平面上的投影位于三个金属反射腔150所围区域的中央，是指金属反射板200中心在xy平面上的投影为图6所示的点i0。
80.上述金属探针402对主辐射贴片404提供待辐射的能量，即，探针被馈电后通过辐射电磁波的方式将能量耦合到紧邻的主辐射贴片404内，从而使得主辐射贴片404获得待辐射的能量。
81.进一步，过顶天线400还包括贴设在主辐射贴片404下方的介质隔板405。具体地，介质隔板405采用厚8.5mm的泡沫板。
82.进一步，过顶天线400还包括寄生辐射贴片406，寄生辐射贴片406贴设在介质隔板405的下方从而通过介质隔板405和主辐射贴片404隔开，寄生辐射贴片406的介电常数大于自由空间内介质且和主辐射贴片404一同设计为圆片状，寄生辐射贴片406在主辐射贴片404所在平面的投影覆盖主辐射贴片404。这里的寄生辐射贴片406起到了增强过顶天线400信号辐射能力的作用。
83.本发明实施例中，阵列天线所包括的过顶天线400贴设在金属反射板200的下方，因而，过顶天线400和三个偶极子天线阵100共用一个接地板，从而实现天线结构的简洁，以进一步降低阵列天线馈电网络的复杂性；并且，金属反射板200在xy平面上的投影位于三个金属反射腔150所围区域的中央，因而，过顶天线400对其正下方的信号收发较佳，从而和三个偶极子天线阵100相结合使得阵列天线较好地实现360
°
方位的信号覆盖。
84.在另一个可选的实施例中，上述阵列天线还包括呈空腔型的天线罩，天线罩的空腔内用于承载三个偶极子天线阵100、过顶天线400以及金属反射板200和总功分网络300。具体地，天线罩为空腔型球形或椭球形的一部分。图9所示为天线罩在xz平面上的剖面图，如图9所示，阵列天线位于该天线罩内时，上述z轴过球心，上述xy平面和部分空腔球或空腔椭球的被剖截面(即图9中和z轴垂直且包含直线n1n2的平面)平行。天线罩的设置起到了对阵列天线的保护作用。
85.本发明实施例提供的上述阵列天线具有结构紧凑和馈电网络复杂程度低的优势，多用作基站天线和机载天线。以用作机载天线为例，该阵列天线用于对飞机下方的信号进行收发，因而，该机载天线安装在飞机上时上述目标平面多和飞机的水平面平行。
86.发明人对本发明实施例提供的上述阵列天线进行了测试，测试结果显示：该阵列天线在降低馈电网络复杂度的同时还不影响阵列天线在电压驻波比、隔离度以及方向图方面的表现特性。
87.图10示出本发明实施例中阵列天线的电压驻波比，参照图10，偶极子天线阵100和过顶天线400在2.3ghz到2.7ghz的整个频段范围内电压驻波比皆小于1.8.
88.图11示出本发明实施例中阵列天线的隔离度，参照图11，偶极子天线阵100和过顶天线400的天线隔离度都低于-48db，满足工程使用要求.
89.图12示出本发明实施例中偶极子天线阵100在2.3ghz、2.5ghz和2.7ghz这三个频点处(选择了2.3ghz到2.7ghz这整个频段范围内的两个边界点和中间点)的e面方向图，图13示出本发明实施例中偶极子天线阵100在2.3ghz、2.5ghz和2.7ghz这三个频点处的h面方向图，其中，实线表示2.7ghz频点处增益realized gain所形成的方向图，虚线表示2.3ghz频点处增益realized gain所形成的方向图，点线表示2.5ghz频点处增益realized gain所形成的方向图。参照图12和图13，偶极子天线阵工作波段天线e面主波束下倾40
°
(即与z轴之间的夹角theta＝130
°
)，满足设计要求，h面波束增益最高达到7.5db。
90.图14示出本发明实施例中过顶天线400在2.3ghz、2.5ghz和2.7ghz这三个频点处的e面方向图，同样，实线表示2.7ghz频点处增益realized gain所形成的方向图，虚线表示2.3ghz频点处增益realized gain所形成的方向图，点线表示2.5ghz频点处增益realized gain所形成的方向图。参照图14，过顶天线400增益在与z轴之间夹角theta＝180
°
的方向上达到最高值9.0db，且theta＝0
°
和theta＝180
°
之间的增益差值低于-16.5db。
91.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
92.此外，在以上描述中，诸如中心、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部、横向、纵向等方位用词和诸如厚度、高度、长度等丈量用词是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处位置和使用状态进行相应变化，所以，不应当将这些用语解释为限制性用语。而涉及连接的术语是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式进行明确说明。
93.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。