CN105244609A - 一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，包括有底座，底座上插接有多个X向天线单元构成的X向天线单元阵列，X向天线单元阵列中相邻两列之间有间隙，间隙中插接有Y向天线单元阵列，每个Y向天线单元阵列由多个共用同一微波基板的多个Y向天线单元构成，X向天线单元、Y向天线单元下端分别从底座底面中穿出，且Y向天线单元下端向下超过X向天线单元。本发明与现有技术相比，装配简单、性能可靠、可有效解决波长和阵元间距之间的矛盾，实现了大带宽、防栅瓣的三维阵列天线组阵结构。
Description
技术领域
本发明涉及微波天线领域，具体是一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线。
背景技术
目前，相控阵天线已经广泛应用于军事和民用通信领域。它通过改变阵元激励信号的相位来改变天线方向图波束指向，天线的辐射能力可以用方向图函数来描述。方向图的取值与阵元间距有关，增大阵元间距即增加了天线孔径长度，可使天线波束变窄，提高天线分辨率。但是，对于固定的工作频率和扫描角，若阵元间距过大，阵列天线扫描时的辐射场除主瓣以外在其他方向会因场强同相叠加形成强度与主瓣相仿的辐射瓣，称之为栅瓣。栅瓣占据了辐射能量，使天线增益降低，从栅瓣看到的目标与主瓣看到的目标易于混淆，导致目标位置模糊。干扰信号从栅瓣进入接收机将影响通信系统的正常工作。因此，应合理地选择相控阵天线的阵元间距避免出现栅瓣。许多阵列天线设计只注重对阵列主瓣和副瓣进行分析，而很少分析平面阵栅瓣问题。
在Ku波段双极化阵列天线的组阵过程中，由于波长较短，因此如果要防止栅瓣出现，应当减小天线单元之间的距离，但是天线之间的距离要能够嵌入馈电的SSMA同轴连接器，标准SSMA法兰盘尺寸大小是统一标准的，如果天线单元之间的距离过小，SSMA无法正常连接，则阵元就无法馈电，阵列天线无法使用。
发明内容本发明的目的是提供一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，以解决现有技术双极化天线SSMA无法正常连接的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，其特征在于：包括有底座，底座上插接有多个X向天线单元，以X向作为行向，多个X向天线单元呈行列阵列排列构成X向天线单元阵列，且X向天线单元阵列中相邻两列之间有间隙，底座上位于X向天线单元阵列中相邻两列之间还分别插接有Y向天线单元阵列，每个Y向天线单元阵列由多个共用同一微波基板的多个Y向天线单元构成，所述X向天线单元、Y向天线单元下端分别从底座底面中穿出，且Y向天线单元下端向下超过X向天线单元。
所述的一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，其特征在于：所述X向天线单元阵列中，X向天线单元包括竖向的微波基板，微波基板正面设有金属辐射面，金属辐射面中设有喇叭形的辐射开口，且辐射开口的喇叭形口部设置在微波基板正面上端，辐射开口的喇叭形根部设置在微波基板正面下部，且金属辐射面上设有与辐射开口喇叭形根部连通的槽线过渡，槽线的圆形开口用于电容性匹配，每个微波基板下端分别穿过底座底面，且每个微波基板下端分别连接有SSMA同轴连接器，每个微波基板背面分别设置有金属微带线，金属微带线一端向下延伸至微波基板背面下端并与SSMA同轴连接器连接，金属微带线另一端延伸至微波基板背面对应槽线过渡与辐射开口连接处位置，且金属微带线另一端连接有扇形匹配阻抗；
所述Y向天线单元阵列包括共用的微波基板，微波基板正面设有多个相同的金属辐射面，每个金属辐射面中分别设有喇叭形的辐射开口，各个辐射开口的喇叭形口部分别设置在微波基板正面上端，各个辐射开口的喇叭形根部分别设置在微波基板正面下部，且每个金属辐射面上分别设有与辐射开口喇叭形根部连通的槽线过渡，微波基板下端穿过底座底面并向下超过X向天线单元阵列微波基板下端，且微波基板下端对应各个金属辐射面底部位置分别连接有SSMA同轴连接器，微波基板背面对应各个金属辐射面分别设置有金属微带线，金属微带线一端分别向下延伸至微波基板背面下端并与位置对应的SSMA同轴连接器连接，金属微带线另一端分别延伸至微波基板背面对应槽线过渡与辐射开口连接处位置，且金属微带线另一端分别连接有扇形匹配阻抗，由共用的微波基板与各个金属辐射面、辐射开口、槽线过渡、金属微带线、SSMA同轴连接器、扇形匹配阻抗构成各个Y向天线单元。
本发明在兼顾阵元结构，波长和应用带宽的基础上，考虑了双极化阵列天线的组阵特点，缩小了阵列天线阵元之间的间距，很好的利用了X和Y方向不同极化方式的馈电特点，X方向馈电相对于Y方向缩短一部分，方便了阵元使用的SSMA同轴连接进行馈电。使得阵列天线的组阵频率覆盖12GHz-24GHz，12GHz扫描范围为±45o，24GHz扫描范围为±30o，并且无栅瓣产生。全频段驻波小于1.3。
本发明X和Y方向交错排布的的SSMA同轴连接进行组阵馈电，与现有技术相比，装配简单、性能可靠、可有效解决波长和阵元间距之间的矛盾，实现了大带宽、防栅瓣的三维阵列天线组阵结构。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明X向天线单元结构正视图。
图3为本发明X向天线单元结构背视图。
图4为本发明Y向天线单元阵列结构正视图。
图5为本发明Y向天线单元结构背视图。
图6为本发明天线单元结构正透视图。
图7为本发明底座结构图。
具体实施方式
参见图1-图7所示，一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，包括有底座10，底座10上插接有多个X向天线单元1，以X向作为行向，多个X向天线单元1呈行列阵列排列构成X向天线单元阵列，且X向天线单元阵列中相邻两列之间有间隙，底座10上位于X向天线单元阵列中相邻两列之间还分别插接有Y向天线单元阵列2，每个Y向天线单元阵列2由多个共用同一微波基板的多个Y向天线单元构成，X向天线单元1、Y向天线单元下端分别从底座10底面中穿出，且Y向天线单元下端向下超过X向天线单元1。
X向天线单元阵列中，X向天线单元1包括竖向的微波基板3，微波基板3正面设有金属辐射面4，金属辐射面4中设有喇叭形的辐射开口5，且辐射开口5的喇叭形口部设置在微波基板3正面上端，辐射开口5的喇叭形根部设置在微波基板3正面下部，且金属辐射面4上设有与辐射开口5喇叭形根部连通的圆口型的槽线过渡9，每个微波基板3下端分别穿过底座10底面，且每个微波基板3下端分别连接有SSMA同轴连接器6，每个微波基板3背面分别设置有金属微带线7，金属微带线7一端向下延伸至微波基板3背面下端并与SSMA同轴连接器6连接，金属微带线7另一端延伸至微波基板3背面对应槽线过渡9与辐射开口5连接处位置，且金属微带线7另一端连接有扇形匹配阻抗8；
Y向天线单元阵列2包括共用的微波基板23，微波基板23正面设有多个相同的金属辐射面24，每个金属辐射面24中分别设有喇叭形的辐射开口25，各个辐射开口25的喇叭形口部分别设置在微波基板23正面上端，各个辐射开口25的喇叭形根部分别设置在微波基板23正面下部，且每个金属辐射面24上分别设有与辐射开口25喇叭形根部连通的圆口型的槽线过渡29，微波基板23下端穿过底座210底面并向下超过X向天线单元阵列微波基板3下端，且微波基板23下端对应各个金属辐射面24底部位置分别连接有SSMA同轴连接器26，微波基板23背面对应各个金属辐射面24分别设置有金属微带线27，金属微带线27一端分别向下延伸至微波基板23背面下端并与位置对应的SSMA同轴连接器26连接，金属微带线27另一端分别延伸至微波基板23背面对应槽线过渡29与辐射开口25连接处位置，且金属微带线27另一端分别连接有扇形匹配阻抗28，由共用的微波基板23与各个金属辐射面24、辐射开口25、槽线过渡29、金属微带线27、SSMA同轴连接器26、扇形匹配阻抗28构成各个Y向天线单元。
本发明包含有三个主要部分：X向天线单元1构成的X向天线单元阵列、Y向天线单元阵列2，X向天线单元、Y向天线单元结构相似，它们的金属辐射面和金属微带线都集成在微波基板上（分别在微波基板正面和背面）。
金属辐射面上设计特定曲率的辐射开口，配合特点厚度的微波基板，以保证在12GHz-24GHz全频段范围内，电磁波的辐射方向图能够达到要求的指标。具体设计指标见表1。
表1天线单元辐射开口指标
| 渐变长度 | 总长度 | 开口宽度 | 指数曲率 |
| 25mm | 36mm | 9mm | 0.1 |
本发明中，金属微带线将SSMA同轴连接器的电磁波信号引入，通过与槽形过渡的电磁波耦合作用，将电磁波信号耦合至槽形过渡上，进而由天线的金属辐射面将电磁波辐射到空间。扇形匹配阻抗用于调节传输线的阻抗值，使得金属微带线与槽形过渡能够有很好阻抗匹配效果和电磁耦合效果，提升电磁波传输效率。同时，槽形过渡的开槽宽度和金属微带线的线宽同时要做到阻抗匹配，减小电磁波的反射。其中X向天线单元和Y向天线单元的区别是Y向天线单元的微带线长度和微波基板长度比X向天线单元的长1/4波长，具体设计指标见表2。
表2天线单元设计参数表
| 微带线宽 | 槽线宽度 | 扇形半径 | 扇形角度 | 总长度 | |
| 0.86mm | 0.3mm | 2.25mm | 130o | 11mm | 横向 |
| 0.86mm | 0.3mm | 2.25mm | 130o | 16mm | 纵向 |
本发明中，馈电网络主要由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料的底座和SSMA同轴连接器构成，按照阵列天线的布阵结构，对底座进行刻槽，打孔。X向、Y向天线单元阵列分别插入底座的槽中，SSMA同轴连接器用螺钉固定在底座上，SSMA同轴连接器的中心与金属微带线搭接后用焊锡焊牢。底座对天线单元阵列和SSMA同轴连接器起到布局、紧固和支持作用，同时与微波基板具有较匹配的膨胀系数。本发明中底座设计体现在X、Y向天线单元阵列下端在Z方向上是错开的，因此可以使相邻SSMA同轴连接器中心靠的更加紧密，防止栅瓣出现，同时，Z向上错开的部分可以拉长馈电单元的金属微带线长度，在双极化过程中起到相位匹配的作用。
Claims (2)
1.一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，其特征在于：包括有底座，底座上插接有多个X向天线单元，以X向作为行向，多个X向天线单元呈行列阵列排列构成X向天线单元阵列，且X向天线单元阵列中相邻两列之间有间隙，底座上位于X向天线单元阵列中相邻两列之间还分别插接有Y向天线单元阵列，每个Y向天线单元阵列由多个共用同一微波基板的多个Y向天线单元构成，所述X向天线单元、Y向天线单元下端分别从底座底面中穿出，且Y向天线单元下端向下超过X向天线单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于交错馈电底座的宽带vivaldi阵列天线，其特征在于：所述X向天线单元阵列中，X向天线单元包括竖向的微波基板，微波基板正面设有金属辐射面，金属辐射面中设有喇叭形的辐射开口，且辐射开口的喇叭形口部设置在微波基板正面上端，辐射开口的喇叭形根部设置在微波基板正面下部，且金属辐射面上设有与辐射开口喇叭形根部连通的槽线过渡，每个微波基板下端分别穿过底座底面，且每个微波基板下端分别连接有SSMA同轴连接器，每个微波基板背面分别设置有金属微带线，金属微带线一端向下延伸至微波基板背面下端并与SSMA同轴连接器连接，金属微带线另一端延伸至微波基板背面对应槽线过渡与辐射开口连接处位置，且金属微带线另一端连接有扇形匹配阻抗；
所述Y向天线单元阵列包括共用的微波基板，微波基板正面设有多个相同的金属辐射面，每个金属辐射面中分别设有喇叭形的辐射开口，各个辐射开口的喇叭形口部分别设置在微波基板正面上端，各个辐射开口的喇叭形根部分别设置在微波基板正面下部，且每个金属辐射面上分别设有与辐射开口喇叭形根部连通的槽线过渡，槽线的圆形开口用于电容性匹配，微波基板下端穿过底座底面并向下超过X向天线单元阵列微波基板下端，且微波基板下端对应各个金属辐射面底部位置分别连接有SSMA同轴连接器，微波基板背面对应各个金属辐射面分别设置有金属微带线，金属微带线一端分别向下延伸至微波基板背面下端并与位置对应的SSMA同轴连接器连接，金属微带线另一端分别延伸至微波基板背面对应槽线过渡与辐射开口连接处位置，且金属微带线另一端分别连接有扇形匹配阻抗，由共用的微波基板与各个金属辐射面、辐射开口、槽线过渡、金属微带线、SSMA同轴连接器、扇形匹配阻抗构成各个Y向天线单元。
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