CN104659482A - 一种方向图对称的vivaldi天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种方向图对称的vivaldi天线阵列，包括阵列馈电和阵列天线辐射臂的设计以及阵列安装及馈电方式设计，阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，通过软件调节各级联功分线宽及长度实现阻抗匹配，阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，阵列安装及馈电方式是将其中一列天线阵列旋转180度，两个馈电端口左右相对，用魔T对两个端口进行等幅反相馈电。本发明由于采用单元辐射臂不对称进行设计，化弊为利，馈电网络简单，设计简便，采用了旋转和反向馈电后，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，由于在其他方向电场的极化相消，旋转后的阵列的侧向辐射也有明显减小。

Description

一种方向图对称的vivaldi天线阵列

技术领域

本发明涉及一种天线阵列，尤其是vivaldi天线阵列。

背景技术

指数锥削槽天线是一种端射式行波天线，也叫做vivaldi天线，由于其具有宽频带、对称的E面H面方向图、中等增益、重量轻、易于与微波电路集成等特点，因而被广泛应用于超宽频带无线通信系统、宽频带相控阵雷达和射电天文等领域。但是微带馈电的指数锥削槽天线辐射臂电流不对称，交叉极化和高次模式的激发，将引起方向图的显著畸变，而导致某些角度上的增益出现显著波动和天线方向图不对称特性。这种缺陷严重影响了vivaldi天线的角度扫描阵列的大空域覆盖,宽角度扫描的能力。对于构成超宽带极化分集阵列是非常不利的，而且对于采用超宽带宽角度扫描阵列天线的现代雷达是极为不利的，严重的降低了雷达的目标分辨力，电子对抗能力及抗反辐射导弹的能力。

传统的解决E面辐射场不对称的办法是使耦合槽线部分足够长，即微带线—槽线耦合部分到天线渐变部分足够长，使耦合产生的高次模在电流传输过程中辐射出去，但是过长的槽线使天线的体积增大，并且馈电也有不对称性引起的辐射不对称。有学者提出采用带状线馈电的平衡互补锥削槽，但由于其辐射臂不对称性，在高频端E面方向图也有显著的不对称性，且相对微带馈电复杂。现有技术也对BAV天线进行了改进，采用平衡馈电方式，对方向图对称有了提高，但是天线位于介质板两侧，因此辐射臂不对称导致电场有不对称性，且这种馈电方式具有交叉极化大的缺点，方向图仍有不对称性。传统vivaldi天线阵，采用上述天线作为天线阵列单元时,都是以相同方式摆放天线单元，相同相位对天线馈电，所以，天线电流对于天线阵列中心是不对称的，所以方向图具有不对称特性，因此本发明提出一种新的方案来解决vivaldi天线阵列方向图不对称问题。

发明内容

本发明为了解决天线组成天线阵因辐射臂不对称，辐射臂电流不对称而引起的辐射方向图不对称的问题，采用了对称辐射臂，用微带线对天线阵列进行馈电，将每列线阵印刷在一片介质基板上，辐射臂具有对称特性，使相邻两片渐变槽阵列旋180度相对放置，并对相邻两片阵列进行反相馈电，实现了端射vivaldi阵列E面方向图的对称。此外，具有偶数个阵元对称放置的阵列都可以采用此方法实现方向图对称。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括两部分：阵列馈电和阵列天线辐射臂的设计以及阵列安装及馈电方式设计。

阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，一分八T型功分器采用了三级一分二T型节，每级的输入端口的特性阻抗为50Ω，输出端口的特性阻抗为100Ω，通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过软件HFSS调节各级联功分线宽及长度，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。

阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，将单元的辐射臂按小于工作波长的间距刻蚀在同一片介质板的同侧，单元间相互连接，沿着介质板的一个直线方向排列，因此天线辐射臂组成一个整体金属层，将馈电网络刻蚀在介质板另一侧，馈电网络的8个输出端口与对侧的天线中心8个辐射臂位置一一对应，使8个中心辐射臂能够主动发射电磁波。

阵列安装及馈电方式是将其中一列天线阵列旋转180度，此时两个微带馈线相对，两个馈电端口左右相对，用魔T对两个端口进行等幅反相馈电。

本发明的有益效果是：由于采用单元辐射臂不对称进行设计，化弊为利，馈电网络简单，设计简便，利用阻抗变换原理即可设计出功能优良的宽带馈电网络。本发明采用了旋转和反向馈电后，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，由于在其他方向电场的极化相消，旋转后的阵列的侧向辐射也有明显减小。仿真和实测结果都表明反向馈电比通常的同向馈电最大增益提高1-2dB，由于在其他方向电场的极化相消，旋转后的阵列的侧向辐射、后向辐射也有明显减小。

附图说明

图1是vivaldi的阵元即单个天线俯视图，其中M为阵元的宽度，N为阵元的长度。

图2是馈电网络的俯视图，其中A代表传输线阻抗为50Ω时的宽度，B代表传输线阻抗为100Ω的宽度，port代表馈电输入端口。

图3是印刷Vivaldi天线阵列的天线辐射臂俯视图。

图4是8乘1阵列侧视图，其中K指介质版的厚度，I代表介质层，II代表天线辐射臂层，III代表馈电网络层。

图5是8乘2阵列的正面侧视图，其中port1和port2分别指两个阵列的馈电输入端口。

图6是8乘2阵列的垂直面侧视图，其中G是指两个8乘1阵列间距。

图7是天线阵实测回波损耗S11。

图8是本发明天线阵列与传统天线阵同侧同相馈电天线阵方向图对比图，其中(a)是12GhHz时E面方向图对比图，(b)是16GhHz时E面方向图对比图，(c)是12GhHz时H面方向图对比图，(d)是16GhHz时H面方向图对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

天线阵列方向图不对称的原因有两个：1、微带线到平衡的槽线辐射臂两端馈电，导致辐射臂两端电流大小不一致，这是最主要的原因；2、微带馈线本身的辐射问题。所以本发明的设计关键点在于使得天线阵列辐射臂电流相对于阵列中心对称。由于vivaldi单元的电场方向在两个渐变槽之间，经过反相馈电和旋转180度，两个vivaldi阵列电场的极化方向仍然相同，但是辐射臂的电流相对于天线阵列中心是对称的，所以辐射臂电流不对称问题引起方向图不对称因素得以解决。由于微带线部分也有辐射电场，经过旋转和反向馈电后，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，使得天线增益有显著提高，阵列主辐射方向增益升高1-2dB。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括两部分：阵列馈电和阵列天线辐射臂的设计以及阵列安装及馈电方式设计。

阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，一分八T型功分器采用了三级一分二T型节，每级的输入端口的特性阻抗为50Ω，输出端口的特性阻抗为100Ω，通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过软件HFSS调节各级联功分线宽及长度，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。

阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，将单元的辐射臂按小于工作波长的间距刻蚀在同一片介质板的同侧，单元间相互连接，沿着介质板的一个直线方向排列，因此天线辐射臂组成一个整体金属层，将馈电网络刻蚀在介质板另一侧，馈电网络的8个输出端口与对侧的天线中心8个辐射臂位置一一对应，使8个中心辐射臂能够主动发射电磁波。

阵列安装及馈电是将其中一列天线阵列旋转180度，此时两个微带馈线相对，两个馈电端口左右相对，用魔T对两个端口进行等幅反相馈电

本发明设计了两列8乘2的Vivaldi天线阵列，两阵列由2片8乘1阵列组成。

天线单元采用平衡辐射臂Vivaldi天线，馈电采用不平衡的微带转槽线馈电，天线尺寸如图1所示长M为13mm，高N为70mm。单个Vivaldi天线辐射臂电流不对称，其远场方向图也不对称。本发明采用2列8乘1天线阵组成8乘2天线阵列，由于Vivaldi辐射臂在介质同一侧，而馈电在介质另一侧，所以可以采用印刷的方式将馈电和天线印刷在介质上面。本发明采用介电常数为3.38的RO4003C介质，介质基板厚度K为0.787mm。

单列8乘1天线阵馈电网络一分八T型功分器如图2所示，阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，每级渐变线输入端口的特性阻抗为50Ω，微带线宽度A为1.91mm,输出端口的特性阻抗为100Ω，此时微带线的宽度B为0.47mm。每一级从50Ω端口到100Ω端口采用指数线连接，形成渐变线。通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过调节各级联功分线宽及长度，以达到改善整个网络驻波的目标，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。图2中的port为单列的馈电端口，阻抗为50Ω。

单列8乘1天线阵天线设计，如图3所示，本发明单列包含12个单元，其中辐射单元为中间8个单元，两边各两个单元是寄生辐射单元，寄生辐射作用是为了减小副瓣，增加主辐射阻抗匹配度，总长度L为183mm。当增加辐射单元后，主辐射单元的阻抗特性变化减缓，减小了电流突然截止带来的反射，增加了阻抗匹配度，同时改善了祝主辐射单元的电流分布，从而减小了方向图副瓣。由天线阵列知识可知，对于侧射阵列，不出现栅瓣单元间距的要求单元间距小于波长。本发明设计的工作频率为8-18GHz，波长为16.7mm-37.5mm,所以单元间距M需小于16.7mm，经过计算及仿真软件HFSS仿真当M为13mm时天线阵性能最好，回波损耗较低。

将设计的馈电网络和天线阵分别印刷在RO4003C介质基板两侧，形成单列8乘1Vivaldi天线阵列，其侧视图如图4所示，Ⅰ层为介质层，Ⅱ层为天线层，Ⅲ层为馈电网络层。

Ⅱ层、Ⅲ层分别印刷在介质板Ⅰ层两侧，形成8乘1阵列。阵列的馈电端口为port，馈电端口阻抗为50Ω。

上述两列相同的8乘1天线阵组合一起就构成了8成2天线阵列。将其中一列旋转180度，使两个馈电网络相对，两个馈电端口port1和port2分布在天线阵左右两侧，如图5所示。两列天线阵间距G为13mm，如图6所示，目的和单元间距相同，为了防止方向图出现栅瓣。

本发明最主要的创新点是没有按照传统的安装方式2列天线阵不旋转，两个馈电端口同侧放置，对两个端口等幅同相馈电，而是将一列旋转，馈电时利用魔T对port1和port2采用等幅反向馈电。因为天线单元辐射臂电流不对称，天线远场方向图也不对称，把天线同相安装，相同馈电方式形成天线阵列后，整体辐射电流相对于阵列中心也是不对称的，因此其方向图也是偏离中心的。

为了验证仿真结果，利用矢量网络分析仪测试了的回波损耗如图7所示，从图中可以看出，在8-18GHz的宽频段内实现了良好的匹配。在微波暗室中分别测量了同相馈电和反相馈电E面和H面的方向图，如图8所示(图中实线表示两列天线同相馈电，虚线表示两列天线反向馈电)，反相馈电时由于几何结构上的对称，不论是在E面还是H面的方向图均有良好的对称性，本发明方向图在主辐射方向上比同相安装、同相馈电的天线阵E面增益提高1-2dB，在E面，副瓣电平较同相馈电时更低，均在-13dB以下，同时反相馈电的后瓣电平也有所改善。因为反向馈电时，天线阵列电流相对于阵列中心是对称的，但是天线的极化方向相反，所以在馈电时对port1和port2采用等幅反向馈电，两列天线的电流相位调整180度，所以电场矢量经过两次变换180度，相位变成同相，两列天线在远场的辐射是叠加的，从而形成对称方向图，同时使得辐射能量更集中，提高了主辐射方向增益。此外，由于功分器的端射特性，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，使得天线增益有显著提高。

设计了一种结构简单且实用的方案来解决vivaldi天线阵方向图不对称问题，从理论上进行了分析，天线阵列，并且两端口进行反向馈电，1方面对馈电的不对称性进行了弥补，使得天线的电流具有结构对称性。另外，反向馈电也使得辐射能量的馈电网络由于极化相消的原理减小了方向图的不对称性，同时也增加了辐射效率，测试结果表明反向馈电比同向馈电最大增益提高1-2dB。由于渐变槽天线的馈电结构的不对称性，实现E面对称的一般方法是使渐变槽天线的缝隙耦合部分足够长，使电流在缝隙部分传输时的高次模辐射掉，这样势必会占用更大的空间。采用反相馈电的方式，在很大程度上减小了阵列的纵向尺寸。

Claims (1)

1.一种方向图对称的vivaldi天线阵列，包括阵列馈电和阵列天线辐射臂，其特征在于：

阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，一分八T型功分器采用了三级一分二T型节，每级的输入端口的特性阻抗为50Ω，输出端口的特性阻抗为100Ω，通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过软件HFSS调节各级联功分线宽及长度，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。

阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，将单元的辐射臂按小于工作波长的间距刻蚀在同一片介质板的同侧，单元间相互连接，沿着介质板的一个直线方向排列，因此天线辐射臂组成一个整体金属层，将馈电网络刻蚀在介质板另一侧，馈电网络的8个输出端口与对侧的天线中心8个辐射臂位置一一对应，使8个中心辐射臂能够主动发射电磁波。

阵列安装及馈电方式是将其中一列天线阵列旋转180度，此时两个微带馈线相对，两个馈电端口左右相对，用魔T对两个端口进行等幅反相馈电。