CN107369887A - 一种高倍频程双极化Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高倍频程双极化Vivaldi天线，辐射元引入边界S2后，改善了双极化天线的低频端阻抗带宽，主要体现在3‑8GHz工作频段；辐射元引入边界S3后，改善了天线辐射特性；辐射元引入边界S2、S3，同时天线加上托盘及其底面金属圆环后，改善了双极化天线低频端的阻抗特性；拓宽了天线阻抗带宽，同时实现了小型化设计；辐射元引入边界S2、S3，天线加上托盘及其底面金属圆环，同时辐射元加载周期性缝隙后，整个频段内的匹配性能都有不同程度的改善。采用具有固定卡槽的介质透镜型天线罩，不仅起到了安装固定、物理防护的效果，同时明显改善了天线的方向性及其增益；与传统天线相比，不存在因电场不对称引起的交叉极化较高及辐射方向图不对称等不期望性能。

Description

一种高倍频程双极化Vivaldi天线

技术领域

本发明属于超宽带双极化天线技术领域，具体涉及一种高倍频程双极化Vivaldi天线，可应用于对信号时域波形的保真度有较高要求的宽频带时域雷达和通信系统中。

背景技术

时域雷达和通信系统利用的是电磁波的时域特性，因此对信号时域波形的保真度有较高要求。此外，时域天线要同时满足瞬时带宽宽、带内相位响应平坦、相位中心稳定等要求。从宽带天线角度出发：加脊TEM喇叭天线和Vivaldi天线的时域信号保真性较好，而对数周期天线和背腔阿基米德螺旋天线则出现了严重的失真。此外，很多学者也对Vivaldi天线的时域特性进行了研究，说明了其具有优异的时域特性。从体积、加工及批量生产、成本及易集成等方面考虑，Vivaldi天线也具有不可比拟的优良特性。基于Vivaldi天线的这些优点，它已经被广泛研究应用于雷达和通信领域。

Vivaldi天线属微带端射行波天线，具有微带天线诸多优点，且可以实现超宽带特性。目前关于Vivaldi天线的研究内容主要：经典Vivaldi天线、对拓Vivaldi天线及平衡对拓Vivaldi天线。经典Vivaldi天线通常采用微带馈电方法，扇形微带终端起终端负载匹配作用，其带宽受微带线槽线过渡转换的限制。1988年EhudGazit提出了一种对拓型Vivaldi天线，将两条指数渐变线设置在基板的两侧，通过微带线对其中一侧馈电，将其接地面渐变处理，从而形成微带到双线的馈电形式。这种馈电形式带来天线带宽的大幅提高，然而由于天线两辐射面之间的偏移，缝隙间电场与水平面成一个角度，导致其电场不对称，并产生很高的交叉极化。平衡对拓Vivaldi天线是在对拓Vivaldi天线的基础上增加了一层渐变结构金属层，天线用带状线馈电从而实现平衡馈电，这种天线电场上下对称，一定程度上改善了交叉极化性能，但是其左右电场不对称，依旧会出现天线方向图的不对称。

对拓Vivaldi天线或者平衡对拓Vivaldi天线跟经典Vivaldi天线相比，可以大大拓展天线的带宽特性，且主要表现为高频端可以扩展到极高的频率，但同时带来了非期望特性：对拓Vivaldi天线由于电场不对称导致交叉极化较高，平衡对拓Vivaldi天线其左右电场不对称，导致方向图不对称，辐射特性不理想。

雷达或通信系统对高集成、小型化设备的需求，使得天线的小型化研究成为热点。依据天线的工作原理：不论对拓Vivaldi天线或者平衡对拓Vivaldi天线，还是经典Vivaldi天线，其低频端工作频率均受天线口径尺寸的制约，天线低频端下限扩展及小型化设计是天线设计的一个重点。基于经典Vivaldi天线在交叉极化及方向图辐射特性等方面的优良特性，部分学者对其宽频带或小型化、双极化等性能进行了研究，但天线的倍频程阻抗带宽基本小于5。此外，研究表明采用电阻加载的方法可以实现天线的小型化和宽频带设计。该方法在一定程度上缩小了天线的尺寸，改善了天线在低频段的特性，可以达到小型化的目的。但是加载电阻以后，一方面由于部分能量被电阻吸收，导致天线效率降低；另一方面，增加了天线的成本和结构复杂度，不满足高集成度系统需求，同时元器件的引入，降低了系统在结构方面的可靠性。

雷达或通信系统不仅需要天线具有超宽带特性而且还需要双极化工作来改善雷达的目标侦查和反侦查能力。现有经典Vivaldi天线设计中，不论是应用于电子对抗、宽带通信的双极化Vivaldi天线，还是应用于导引头的双极化Vivaldi天线，其倍频程阻抗带宽基本为4到6倍。目前，尽管众多学者关于经典Vivaldi天线的超宽频带、小型化设计取得了较大进展，但是适用于2-18GHz甚至更宽频带的雷达或通信系统时，其天线设计及工程化应用还需要做进一步完善或改进。

现有经典Vivaldi天线结构见附图1，不论是宽频带小型化Vivaldi天线，还是双极化Vivaldi天线，天线倍频程阻抗带宽基本小于6，而加载电阻的小型化天线不仅降低了天线辐射效率，还增加了结构复杂度和加工难度。

对拓Vivaldi天线结构见附图2，跟经典Vivaldi天线相比，可以大大拓展天线的带宽特性，且主要表现为高频端可以扩展到极高的频率，但由于电场不对称导致交叉极化较高。

平衡对拓Vivaldi天线结构见附图3，跟对拓Vivaldi天线相比：上下电场基本对称分布，但是其左右电场不对称，导致方向图不对称，辐射特性不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有较高倍频程阻抗带宽的双极化天线，且其双极化特性可以改善雷达的目标侦查和反侦查能力。

一种双极化Vivaldi天线，包括两个十字交叉布置的Vivaldi天线，每个Vivaldi天线均包括辐射单元、馈电单元以及介质基板；其中，介质基板的一个侧面上设置有辐射单元，另一个侧面上设置有馈电单元；辐射单元的左、右两部分关于天线槽线轴向对称；辐射单元的左部分和右部分的顶部边界S2段以及底部边界S3段均为圆弧形。

进一步的，所述辐射单元左部分和右部分上均开有从各自外侧边界向天线槽线延伸的缝隙，辐射单元左、右部分上的缝隙关于槽线轴向对称分布。

较佳的，述缝隙的数目大于或等于1条；当数目大于1条时，各条缝隙的长度成递增或递减趋势变化，且各条缝隙互相平行。

较佳的，所述缝隙以分组的形式分布在辐射单元上；各组缝隙互相平行；各组内的缝隙长度成递增或递减趋势变化且互相平行。

较佳的，缝隙长度从上到下依次增大。

进一步的，所述介质基板的顶部边缘按照指数型曲线裁剪。

进一步的，还包括底部圆盘；底部圆盘上表面设置两个用于安装两个Vivaldi天线的安装卡槽。

较佳的，底部圆盘下表面设置圆环形金属凸起。

进一步的，还包括双极化Vivaldi天线外部的圆筒形天线罩。

较佳的，所述天线罩的底端设置有外翻的圆环形折边；所述圆环形折边与底部安装板固连。

进一步的，所述天线罩的顶部设置有介质透镜。

进一步的，所述天线罩的内部侧壁设置有双极化Vivadi天线的纵向安装卡槽。

本发明具有如下有益效果：

本发明设计跟对拓Vivaldi天线及平衡对拓Vivaldi天线相比，不存在因电场不对称引起的交叉极化较高及辐射方向图不对称等不期望性能。相比于现有经典Vivaldi天线，天线可达10倍频程阻抗带宽，同时实现了小型化设计。同时，天线罩的设计将天线安装固定、物理防护及增益改善相结合，达到了良好的效果。具体为：

辐射元引入边界S2后，改善了双极化天线的低频端阻抗带宽，主要体现在3-8GHz工作频段。辐射元引入边界S3后，改善了天线辐射特性。辐射元引入边界S2、S3，同时天线加上托盘及其底面金属圆环后，改善了双极化天线低频端的阻抗特性。拓宽了天线阻抗带宽，同时实现了小型化设计。辐射元引入边界S2、S3，天线加上托盘及其底面金属圆环，同时辐射元加载周期性缝隙后，整个频段内的匹配性能都有不同程度的改善。采用具有固定卡槽的介质透镜型天线罩，不仅起到了安装固定、物理防护的效果，同时明显改善了天线的方向性及其增益。

附图说明

图1为传统Vivaldi天线结构示意图；

图2为对趾Vivaldi天线结构示意图；

图3为平衡对趾Vivaldi天线结构示意图；

图4为本发明设计极化端口1天线结构示意图；

图5为本发明设计极化端口2天线结构示意图；

图6为本发明天线底部托盘及其下金属圆环结构示意图；

图7为本发明设计双极化天线整体结构示意图；

图8本发明设计天线的天线罩结构示意图；

图9为本发明的双极化天线端口1阻抗匹配特性曲线图；

图10为本发明的双极化天线端口2阻抗匹配特性曲线图；

图11为本发明的双极化天线轴向频率-增益特性曲线图；

图12(a)—(e)为本发明的极化1天线在频率为4～20GHz时H面辐射方向图；图12(f)—(j)为本发明的极化1天线在频率为4～20GHz时E面辐射方向图(phi＝0为H面，phi＝90为E面)。

图13(a)—(e)为本发明的极化2天线在频率为4～20GHz时E面辐射方向图；图13(f)—(j)为本发明的极化2天线在频率为4～20GHz时H面辐射方向图(phi＝0为E面，phi＝90为H面)。

1-辐射单元，2-馈电单元，3-介质基板，4-耦合缝隙，5-微带馈电端，8-底槽，9-顶槽，12-底部托盘，13，14-固定卡槽，15-金属圆环凸起，16-天线罩，17-圆环折边，18-底部安装板，19，20-天线卡槽，21-介质透镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的双极化Vivaldi天线，如图7所示，包括两个十字交叉布置的Vivaldi天线，该天线是基于图1所示的传统的Vivaldi天线进行改进的，同样也包括辐射单元1、馈电单元2以及介质基板3；其中，如图4和5所示，介质基板3的一个侧面上设置有辐射单元1，另一个侧面上设置有馈电单元2；辐射单元1相对于天线槽线轴向对称；辐射单元1的边界从天线轴线开始顺次包括指数曲线型的S1段、顶部边界S2段以及底部边界S3段；其中，S1段与传统的Vivaldi天线对应位置的边界的线型一致，但不同的是，传统的Vivaldi天线辐射槽线只有S1段指数型曲线，而本发明中，与S1段连接的顶部边界S2段为圆弧形边界，同时底部S3段也设计为圆弧形边界。

由于低频段有效辐射区域位于天线辐射单元1槽线开口较宽的部分，辐射单元1顶部S2段采用圆形边界，使低频段有效电流路径变长，扩展了天线低频段阻抗带宽，同时实现了小型化设计。顶部边界S2段的半径取值范围6.5mm到10.5mm。高频段有效辐射取决于辐射单元1底部及其馈电缝隙周围的有效电流分布，辐射单元1底部边界S3段采用圆形边界，使电流分布向辐射槽缝集中，改善了双极化天线的辐射特性。底部边界S3段的半径取值范围5mm到20mm。

为进一步拓展天线的低频带宽及实现天线的小型化设计，辐射单元1上加载了周期性不等长缝隙结构。缝隙从辐射单元1外侧边界向天线轴线延伸。缝隙的数目大于或等于1条；当数目大于1条时，各条缝隙的长度成递增或递减趋势变化，且各条缝隙互相平行。另外缝隙也可以以分组的形式分布在辐射单元1上；各组缝隙互相平行；各组内的缝隙长度成递增或递减趋势变化且互相平行。本实施例中，缝隙长度从上到下依次增大。

如图4和5所示，极化端口1天线辐射单元1上加载的缝隙自下而上分别表示为a1、a2、a3,极化端口2天线辐射单元1上加载的缝隙自下而上分别表示为b1、c1、d1；b2、c2、d2；b3、c3、d3。辐射单元1上加载的缝隙关于天线介质基板3轴向方向对称分布。该缝隙的设置改善了天线在整个频段内的匹配性能，天线的阻抗带宽基本覆盖2.2-22GHz。

本发明中周期性不等长缝隙结构的设计主要考虑因素如下：

a)尽可能维持辐射单元1上的电流分布，不破坏其场分布及工作模式和辐射性能；

b)尽可能起到引导电流的作用，延长电流的有效路径长度；

c)达到设计效果的同时，综合考虑天线优化设计的工作量，尽量不引入过多的结构参数；

d)易加工及可制造性。

基于这些因素，辐射单元1上加载的不等长周期缝隙的数量、长度、倾角、位置均按照以上四点因素进行仿真计算和优化设计。

本发明将介质基板3顶部去除，形成指数型曲线边缘的顶槽9，可以减小天线的介质损耗。为使两个线极化天线均具有良好的工作特性，同时便于十字交叉装配，本发明在其中一个天线的介质基板3的轴线下部开有底槽8，另一个天线不开底槽8，只开顶槽9，两天线安装时，将具有底槽8的天线插入另一个天线的顶槽9中，即可形成固定的十字交叉结构。

为了进一步稳定十字交叉结构的双极化天线，本发明还提供了底部圆盘12(聚四氟乙烯材料)；底部圆盘12上表面设置两个用于安装两个Vivaldi天线的互相垂直的安装卡槽13,14。一个天线安插到安装卡槽13中，另一个天线安插到安装卡槽14中。

另外，如图6所示，在底部圆盘12的底部设置圆环凸起15，馈电单元2对其产生一定的耦合效果，激励起了低频有效辐射，改善了天线低频段阻抗匹配，拓宽了天线低频段有效带宽。环凸起半径取值范围为16mm到24mm，圆环宽度为0.5mm。

为进一步保护本发明的双极化天线，还设计了罩在双极化Vivaldi天线外侧的圆筒形天线罩16。天线罩16的底端设置有外翻的圆环形折边17；天线罩16的内壁上还设置有两对天线卡槽19,20；分别用于卡装两个天线的介质基板3。所述圆环形折边17与底部安装板18固连，从而形成了双极化天线的密封结构。天线罩16的底端设置有介质透镜21，可提高天线的接收增益。本发明设计将天线罩16、天线安装固定和天线增益改善相结合，进行了整体结构的优化设计，最终达到了天线安装固定、物理防护和性能改善的效果，且天线增益改善效果显著。天线的馈电电缆可以通过在底部安装板上开孔来对天线进行激励。

本发明设计主要是从辐射效率、加工工序、加工成本、结构可靠性及轻量化、易批量生产等角度出发，对天线阻抗带宽改善及小型化设计提出了一种新方法。为保证双极化天线电轴指向的一致性，两个线极化天线采用十字交叉的结构形式。这种结构布局需要两个天线从功能及结构上都要相互匹配。实现原理上，双极化天线的两个线极化天线一致。天线阻抗特性跟天线结构有关，十字交叉布局的两个天线因结构差异性，导致其阻抗特性也有一定差异。因此，为保证双极化天线具有良好的阻抗带宽及辐射特性，需要分别对两个线极化天线其结构参数进行优化。天线通过50欧姆SMA接头进行馈电。

从图9-10可以看出，2.2-22GHz频带内，天线驻波比均小于2.5，实现了高达10倍频程阻抗带宽。天线辐射口径尺寸48mm×48mm，为低频工作频率对应波长的0.32倍，实现了天线的小型化设计。

图11比较了经典结构Vivaldi天线、引入圆形边界、托盘下方圆环及天线罩后增益对比曲线图。从图11可知，天线设计采用S2、S3形式边界、底部圆环15后，13GHz-20GHz频段内天线增益略有提升；采用具有固定卡槽的介质透镜型天线罩16后，从2GHz到22GHz的频率范围内，天线增益改善幅度从3dB到10dB不等，且随频率的升高呈上升趋势。本发明设计兼顾了天线的安装固定、物理防护及其增益特性改善。

从图12-图13可以看出，通过增加天线罩16，天线增益改善效果明显，提高了天线的定向性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，包括两个十字交叉布置的Vivaldi天线，每个Vivaldi天线均包括辐射单元、馈电单元以及介质基板；其中，介质基板的一个侧面上设置有辐射单元，另一个侧面上设置有馈电单元；辐射单元的左、右两部分关于天线槽线轴向对称；辐射单元的左部分和右部分的顶部边界S2段以及底部边界S3段均为圆弧形。

2.如权利要求1所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述辐射单元左部分和右部分上均开有从各自外侧边界向天线槽线延伸的缝隙，辐射单元左、右部分上的缝隙关于槽线轴向对称分布。

3.如权利要求2所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述缝隙的数目大于或等于1条；当数目大于1条时，各条缝隙的长度成递增或递减趋势变化，且各条缝隙互相平行。

4.如权利要求2所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述缝隙以分组的形式分布在辐射单元上；各组缝隙互相平行；各组内的缝隙长度成递增或递减趋势变化且互相平行。

5.如权利要求3或4所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，缝隙长度从上到下依次增大。

6.如权利要求1、2、3或4所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述介质基板的顶部边缘按照指数型曲线裁剪。

7.如权利要求1、2、3或4所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，还包括底部圆盘；底部圆盘上表面设置两个用于安装两个Vivaldi天线的安装卡槽。

8.如权利要求7所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，底部圆盘下表面设置圆环形金属凸起。

9.如权利要求7所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，还包括双极化Vivaldi天线外部的圆筒形天线罩。

10.如权利要求9所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述天线罩的底端设置有外翻的圆环形折边；所述圆环形折边与底部安装板固连。

11.如权利要求9所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述天线罩的顶部设置有介质透镜。

12.如权利要求9所述的一种双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述天线罩的内部侧壁设置有双极化Vivadi天线的纵向安装卡槽。