CN102969557B - 一种Vivaldi天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Vivaldi天线阵列，具体包括：偶数个Vivaldi天线、金属柱环、介质椎体和SMA接头，其中，所述偶数个Vivaldi天线均匀地、垂直地设置于金属柱环的外壳上；所述介质椎体置于金属柱环的顶端；所述SMA接头放置于金属柱环的内壁，内芯穿过金属柱体与Vivaldi天线的反馈微带线的一端连接，反馈微带线的另一端通过金属化的通孔连接天线的地平面，外壳连接金属柱环。本发明的天线阵列采用单极的Vivaldi天线作为天线单元；并且一个电阻被集成到天线的末端，实现了小型化和宽频带的特性；由于采用了单极的结构，介质圆锥体对天线辐射电磁波的反射影响较小，保持了端射的性能。

Description

一种Vivaldi天线阵列
技术领域
本发明属于电磁场与天线技术领域，具体涉及一种宽频带小型化Vivaldi天线的设计。
背景技术
Vivaldi天线是Gibson提出的一种端射行波天线，它是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的。槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收电磁波。在不同的频率上，它的不同部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分相对于对应的不同频率信号的波长的电长度是不变的，所以理论上讲，它有很宽的频带。但是由于其设计上的一些限制，比如其辐射槽线长度应该大于λ0，槽线开口宽度要大于λ0/2(λ0为最低工作频率的自由空间波长)，使其尺寸过大，例如，当天线工作在最低工作频率为1GHz时，对应的波长为30厘米，从而天线的长度应该大于30厘米，槽线开口宽度大于15厘米，这样尺寸的天线就不易安装在小型化的装置中，给天线设计者带来更大的挑战。众所周知，天线的尺寸将直接影响天线的性能，如带宽、增益等。通过Q值，也可以将天线的尺寸和天线工作带宽联系起来，天线的Q值越小，天线的带宽也就越大，但是随着天线的尺寸减小，天线的Q值存在着理论上的极限，其值与天线的尺寸有关，因此随着天线尺寸的减小，天线的Q值在增加，天线的理论带宽也就随之减小，即超宽带与小型化不能同时满足，必须在其中取得权衡。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的Vivaldi天线在超宽带与小型化之间出现的矛盾，提出了一种Vivaldi天线阵列。
本发明的技术方案是：一种Vivaldi天线阵列，具体包括：偶数个Vivaldi天线、金属柱环、介质椎体和SMA接头，其中，所述偶数个Vivaldi天线均匀地、垂直地设置于金属柱环的外壳上；所述介质椎体置于金属柱环的顶端；所述SMA接头放置于金属柱环的内壁，内芯穿过金属柱体与Vivaldi天线的反馈微带线的一端连接，反馈微带线的另一端通过金属化的通孔连接天线的地平面，SMA接头的外壳连接金属柱环。
进一步的，所述的Vivaldi天线具体为单极Vivaldi天线。
更进一步的，所述单极Vivaldi天线的末端集成一个电阻。
本发明的有益效果：本发明的单极Vivaldi天线阵列充分利用金属圆柱环的金属外壳，选择单极的Vivaldi结构作为金属圆柱环外壳上的天线，并且在天线末端集成一个电阻，具有极宽的工作带宽，更小的尺寸，受介质椎体的反射影响很小，并且具有一定的端射特征等优点，结构简单，易于生产。
附图说明
图1本发明提供的单极Vivaldi天线平面图。
图2本发明提供的天线阵列平面图。
图3本发明提供的天线端口匹配示意图。
图4本发明提供的单极Vivaldi天线阵列在2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz和14GHz频点处辐射方向图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：
本发明的Vivaldi天线阵列，具体包括：偶数个Vivaldi天线、金属柱环、介质椎体和SMA接头，其中，所述偶数个Vivaldi天线均匀地、垂直地设置于金属柱环的外壳上，每个天线单元连接一个SMA接头，形成多端口馈电阵列结构；所述介质椎体置于金属柱环的顶端；所述SMA接头放置于金属柱环的内壁，内芯穿过金属柱体与Vivaldi天线的反馈微带线的一端连接，外壳连接金属柱环，反馈微带线的另一端通过金属化的通孔连接天线的地平面。
这里Vivaldi天线的个数一般取4～8，可以根据实际需要进行选取。
为了克服介质椎体影响比较大的问题，这里具体采用单极Vivaldi天线。
金属柱环可以根据实际需要采取各种形状，比如金属圆柱环、金属椭圆柱环、金属方形柱环等。
这里的偶数个天线单元均为双面介质覆铜板的印刷天线，其结构简单、加工制作简单易行、成本低廉，适合大规模工业化生产。
图1给出了建议的Vivaldi天线结构图，在此采用的是金属圆柱环。图中短的黑色微带线为反馈微带金属贴片，其一端与金属圆柱体内部的SMA接头内芯相连，另一端通过金属化介质通孔连接天线的地平面，地平面的内外边缘按照指数曲线变化，其中内边缘指数曲线与金属圆柱体外壳形成辐射槽线，控制着天线的辐射波束方向。由于天线的地平面内外边缘分别按照指数曲线变化，从而使得此结构比仅有内边缘按照指数曲线变化结构有更高的方向性或更短的尺寸。此天线通过反馈微带线耦合缝进行馈电，通过指数曲线槽线辐射，形成端射的辐射方向图。为了使天线单元具有小的尺寸和极宽工作带宽，并且保持端射辐射特征，在单极的Vivaldi天线的末端集成一个电阻，所述电阻的阻值为50～500欧姆，在本实施中，阻值取100欧姆，此电阻占用的空间较小，从而基本不影响短路微带线的反射功能。
图2中，2a为阵列侧面图，2b为阵列顶观察示意图。此天线阵列由六个相同的单元(其介质板材料为Rogers RO4003)均匀地分布在一个20厘米直径的金属圆柱环的外壳上，并被设计工作在1GHz-18GHz频率范围内。Vivaldi天线介质板的厚度会影响最终的带宽，这里选取Vivaldi天线介质板的厚度等于或小于0.5毫米。
天线阵列包括六个相同的天线单元、一个长为1米的金属圆柱环、厚度为5毫米的介质锥体和六个SMA接头，天线单元的末端用微带线短接到金属圆柱体外壳上，此微带线起着反射器的作用。所述的介质圆椎体长度为30厘米，其底面半径与金属圆柱环的半径相等，介质椎体的母线为抛物线。由于天线具有垂直极化特征，因此介质椎体对天线阵列的端射辐射特性的影响很小，因此在E平面的主束方向偏离金属圆柱环轴线方向的夹角很小，基本可以忽略不计。
以图1和图2所示尺寸的宽频带小型化天线阵的驻波比(VSWR)变化曲线如图3所示。该天线阵的驻波比VSWR＜2.1的带宽为1.45GHz-18.7GHz，而每个单元的尺寸仅仅30mm×60.5mm，对应的介质板高度远小于λ0/2，长度远小于λ0(其中λ0≈206.9毫米，对应为天线最低谐振频率1.45GHz的真空中的波长)。
以图1和图2所示尺寸的宽频带小型化天线阵列工作于2GHz，4GHz，6GHz，8GHz，10GHz，12GHz和14GHz时的电场方向图(归一化到最大电场值)，如图4所示，4a1、4b1、4c1、4d1、4e1、4f1、4g1分别表示2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz和14GHz的各频点的E面方向图，4a2、4b2、4c2、4d2、4e2、4f2、4g2分别表示2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz和14GHz的各频点的H面方向图，其中，点划线EΦ表示电场的Φ分量，实线Eθ表示电场的θ分量。从各频点的E面(x-z平面)和H平面(y-z平面)方向图可以看出，所述天线阵列具有端射辐射性能，并且有宽的3dB波束宽度。
本发明的宽频带小型化Vivaldi天线可以根据不同的使用环境调整所述天线的尺寸。因此，本发明实用性很广，可以应用到需要端射辐射要求的环境中，比如可以安装在导弹、飞机等飞行器的金属表面。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种Vivaldi天线阵列，具体包括：偶数个Vivaldi天线、金属柱环、介质椎体和SMA接头，其中，所述偶数个Vivaldi天线均匀地、垂直地设置于金属柱环的外壳上；所述介质椎体置于金属柱环的顶端；所述SMA接头放置于金属柱环的内壁，内芯穿过金属柱体与Vivaldi天线的反馈微带线的一端连接，反馈微带线的另一端通过金属化的通孔连接天线的地平面，外壳连接金属柱环；
所述的Vivaldi天线具体为单极Vivaldi天线，天线的地平面内外边缘分别按照指数曲线变化，在单极的Vivaldi天线的末端集成一个电阻。
2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述Vivaldi天线的数目为4-8。
3.根据权利要求1所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述介质椎体的厚度为5毫米。
4.根据权利要求1所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述Vivaldi天线介质板的厚度等于或低于0.5毫米。
5.根据权利要求1所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述介质椎体的底面半径与金属柱体环的半径相等，并且介质椎体的母线为抛物线。
6.根据权利要求1所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述电阻的阻值在50～500欧姆范围。
7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的Vivaldi天线阵列，其特征在于，所述的金属柱环为金属圆柱环。
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