CN103326120A - 高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线,该阵列天线包括以下部分:基板、辐射槽线、介质透镜、切比雪夫渐变带状线馈电。本发明天线通过变化介质透镜的结构尺寸,能够有效地改善天线辐射阻抗的起伏,以获得较好的阻抗匹配,透镜的高介电常数介质可降低电磁波在槽线处的传播速度,改善天线口径电流分布,使球面波近似为平面波,提高天线辐射效率,从而获得较高的天线增益。切比雪夫渐变带状线可进一步改善天线的阻抗匹配,展宽工作频带。本发明阵列天线具有高增益、宽频带特性,适用于移动通信领域及军事雷达等宽带阵列天线的辐射单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线,该阵列天线广泛应用于微波和毫米波领域,可作为移动通信领域及军事雷达等辐射阵列天线。
背景技术
1979年Gibson提出一种按指数规律渐变的槽线天线,即Vivaldi天线,其具有端射辐射、宽频带、高增益、线极化等特点,并且具有剖面低、重量轻、易于制作、便于共形安装、便于和微波电路集成等优点。
Vivaldi天线一般是由微带、带状线或者同轴等传输线形式将能量引入,通过电磁耦合或介质耦合方式,将馈电传输线与辐射槽线进行能量转换,电磁波通过槽线向自由空间传递,通常在槽线终端采用圆形腔作为短路终端,而微带终端采用扇形支节作为开路终端,以实现整个馈电部分的宽带匹配。
通常,作为端射天线的Vivaldi天线,通过底端馈电、由较窄的槽线向较宽的槽线方向、以行波方式辐射能量,天线的孔径宽度和天线长度应满足:W≥λ L /2,2λ L ≤L≤12λ L ,λ L 是最低工作频率时的自由空间波长;但是,当Vivaldi工作在低频时,天线长度小于一个自由空间波长,且槽线的宽度远小于半个工作波长即λ L /2时,槽线就不会辐射能量,此时的槽线可以作为一种低损耗的传输介质,Vivaldi天线辐射属谐振式,通常增益较低,波束宽且伴有小的波纹。
为了改善Vivaldi天线在低频时的增益,槽线优化、贴片开槽、超材料等技术被应用于天线设计之中。Peter Ludlow、Vincent Fusco在文献《Variation of Slotline Characteristic Impedance and Wavelength in a Vivaldi Antenna and Their Effect on Radiation Characteristics》通过阶梯逼近方法对槽线的指数曲线参数进行优化,并改变介质基板的介电常数,通过仿真给出指数曲线与天线特征阻抗、槽线与自由空间之间的阻抗匹配和相位差的关系,指出当槽线开口大于λ L / 2时,槽线与自由空间阻抗匹配较好,且高介电常数的介质基板能够增加馈线到自由空间的相位差,减缓波的传播速度,以此获得理想的增益;Khabat Ebnabbasi、Heinrich D. Foltz在《Vivaldi Antenna Taper Design Based on Impedance Matching》中将槽线设计为四分之一波长的切比雪夫阻抗变换段,并通过指数渐变函数和高斯函数逼近切比雪夫曲线,通过优化槽线渐变以达到天线在低频时阻抗匹配。槽线的优化能够有效地改善天线本身与自由空间的阻抗匹配,但天线单元间的互耦影响未能降低。崔铁军等人将渐变各向异性人工零折射率材料运用于天线设计中,在其专利《宽带高增益平板维瓦尔第天线》中,将不同臂长的弯曲曲线置于天线辐射口径,提高天线定向性,提高天线增益,但是波束宽度变窄,不能满足阵列天线单元的扫描要求。
发明内容
本发明的目的在于:针对Vivaldi天线低频增益较低的问题,设计一种宽频带、高增益,且结构简单的介质透镜Vivaldi天线。
实现上述目的的具体技术方案如下:
1、采用两层槽线金属层分置于介质基板上下,由切比雪夫渐变带状线馈电,将双面Vivaldi天线分布在三个平面。天线长度的初始值在2λ L / 2≤ L ≤ 2λ L 区间内选取,介质基板的厚度在0.0025λ H ≤ h eff ≤ 0.0028λ H 范围内选取,这里 是介质基板等效厚度。
2、馈电端由同轴传输线过渡到切比雪夫渐变带状线,采用切比雪夫渐变式的带状线,其在相当宽的频带范围内反射系数较小,具有较为理想的阻抗匹配效果,增加工作带宽,并通过电磁耦合的方式转换至槽线。
3、槽线采用合适的指数形式渐变,槽线终端采用圆形腔作为短路终端,而带状线终端采用扇形支节作为开路终端。通过这种方式,可以实现槽线与带状线之间的宽带匹配。
4、在槽线开口中间引入等间距、不同长度的高介电常数的介质条带构成介质透镜,合适地调整介质条带的间距与长度,能改变天线的辐射阻抗,获得好的阻抗匹配,提高天线辐射效率。
本发明微带天线的有益技术效果体现在下述几个方面:
1、天线采用切比雪夫渐变带状线,以实现底端馈电端口与槽线之间的良好阻抗匹配,获得更宽的工作频带;
2、在槽线中间部位加入介质透镜,通过合适地调整高介电常数的介质透镜的介质条带间距与长度,能够降低电磁波在槽线开口处的传播速度,可以在高频时不影响天线辐射,低频时可以改善天线辐射口径的电流分布,改变天线的辐射阻抗,提高天线的辐射效率,在不改变天线驻波和高频特性的同时,有效提高天线低频增益。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明天线单元的结构全图。
图2为本发明天线单元的馈线示意图。
图3为实例一的天线阵列的结构示意图。
图4为实例一的天线端口的驻波曲线。
图5为实例一的天线阵列增益曲线。
图6为实例一的天线阵列在中心频点的方位面方向图。
图7为实例一的天线阵列在中心频点的俯仰面方向图。
具体实施方式
本发明具体实施方法为:
参见图1与图2,一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线,天线单元采用双层微带天线结构,整个天线单元包括介质基板部分1,槽线辐射部分2,馈电切比雪夫渐变带状线部分3,槽线辐射部分2中间介质透镜部分4。本发明采用以下具体的技术措施:
1、天线单元的初始参数根据渐变线Vivaldi天线设计准则,天线孔径宽度和天线长度应满足:W≥λ L / 2,2λ L ≤L≤12λ L ,λ L 是最低工作频率时的自由空间波长。当天线工作带宽较宽时,为满足低频为获得较高的增益,天线长度的初始值在λ L /2 ≤L≤2λ L 区间内选取,介质基板的厚度在0.0025λ H ≤h eff ≤0.0028λ H 范围内选取,这里是基板等效厚度;
2、天线单元辐射槽线按y = C 1 e α x + C 2 指数形式张开,,,p 1(x 1 ,y 1 )和p 2(x 2 ,y 2 )为指数渐变曲线的起点和终点。槽线开口的宽度分别由所设计的工作频段的高、低截止频率决定,通常取槽线开口最宽处(即指数渐变线终点)为低频截止频率所对应的工作波长的1.3倍左右,最窄处宽度(即指数渐变线起点)为高频截止频率所对应的工作波长的2%左右;
3、为了使天线单元在宽频带内达到良好的阻抗匹配,馈电线采用切比雪夫渐变式的带状线,其在相当宽的频带范围内反射系数较小,具有较为理想的阻抗匹配效果。根据切比雪夫渐变线的阻抗计算公式:
(Z in 是槽线的输入阻抗,Z i 为自由空间本征阻抗,u(x)是单位阶跃函数),确定渐变带状线的宽度;
4、在天线单元槽线中间设置介质透镜,透镜采用高介电常介质条带正交排列,各条带的间距为Di ,条带宽度Wi,长度Li ,合适调整各条带的参数,可以降低低频天线单元驻波和相邻单元间相互耦合,改善低频时天线阵列口径的电流分布,提高阵列在低频时的增益。
实例1:
一个工作在C频段的高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线阵列。该天线单元所有结构形式与图1完全相同,采用切比雪夫渐变带状线馈电,槽线中间的透镜介电常数为10.2,介质基板的介电常数为2.65,厚度h=2mm,天线单元W=52mm,L=102mm。天线阵列结构如图3所示,单元水平间距dx=35mm,垂直间距dy=17mm。
图4为实例一的各阵元仿真有源驻波曲线,可见在工作频带内有源驻波均小于2,很好地满足了指标要求。
图5为实例一的天线阵列增益曲线,可见介质透镜明显增加天线低频增益。
图6、图7为实例一的天线阵列在中心频点的方位面与俯仰面方向图。
Claims (2)
1.一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线,包括基板部分,同轴馈电部分,印刷振子部分,介质透镜部分,切比雪夫渐变带状线部分;其特征在于:
1)、在上下层槽线开口中间引入介质透镜,透镜由不同间距、长度的介质条带构成,合适地调整介质透条带的排列、间距、宽度、长度,能够改变天线的辐射阻抗,以获得好的阻抗匹配,高介电常数的介质透镜能够降低电磁波在槽线处的传播速度,改善天线口径电流分布,使球面波变为近似的平面波,提高天线辐射效率;
2)、馈电传输线采用切比雪夫渐变带状线,其在相当宽的频带范围内反射系数较小,具有较为理想的阻抗匹配效果,能够有效增加工作带宽。
2.根据权利要求1所述的高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线,其特征在于:槽线中间介质透镜,选取合适的各条带参数,采用切比雪夫渐变带状线作为馈电部分;整个天线放置在上,用同轴作为激励。
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