CN107946765A - 一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，包括微带SIW转换结构、基于SIW的一分八路功分器和八个Vivaldi天线单元，微带SIW转换结构将由微带线馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波；微带SIW转换结构包括微带线、梯形微带渐变线、金属地和SIW传输段；基于SIW的一分八路功分器包括金属层和感性金属通孔，Vivaldi天线单元包括Vivaldi辐射单元、椭圆形金属贴片和半椭圆形介质基板。本发明可以覆盖39.5‑46GHz频段，并在原有阵列天线的基础上，在所覆盖频段内提高天线增益1dB以上。

Description

一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线。
背景技术
毫米波技术通过提升频谱带宽可以实现超高速无线数据传播，从而成为5G通讯中的关键技术之一。于上世纪七十年代提出的Vivaldi天线作为一种线极化行波天线，具有宽带、高增益以及低交叉极化等特点，已广泛应用于通信、电子对抗等领域之中。随着平面集成电路的发展，成本低、结构简单、易加工的印刷Vivaldi天线阵列得到了学者们的广泛关注。将Vivaldi阵列天线应用于毫米波频段之中是当下的研究热点。
传统的天线阵列一般采用基于微带线或带状线结构的馈电网络，而在毫米波频段，微带线会向外产生不容忽视的辐射，因而能量传输效率并不高；带状线结构的馈电网络尽管克服了这一缺点，但其馈电网络较为复杂，因而加工成本比较高昂。根据Vivaldi天线的辐射原理，该天线由一端较窄的槽线过渡至另一端较宽的槽线构成，槽线过渡呈指数变化规律，其不同部分辐射不同频率的电磁波，因此，要实现较宽的阻抗带宽，就要相应增加Vivaldi辐射单元长度，这就使辐射贴片的不同位置之间产生一定程度的耦合现象，导致相位反转，使辐射方向图产生失真并减小天线增益。而减小Vivaldi辐射单元的长度会使得低频处的谐振点向高频方向移动，阻抗带宽变窄。
基片集成波导(SIW)技术是一种新型导波结构，由介质基片上的金属化通孔阵列制成，其传播特性与矩形波导类似，制成的毫米波部件具有低插损、低辐射、易集成的优点。
发明内容
本发明提供了一种有效抑制电磁波在辐射单元表面的相位反转现象从而提高天线增益的加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，包括微带SIW转换结构、基于SIW的一分八路功分器和八个Vivaldi天线单元，微带SIW转换结构将馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，基于SIW的一分八路功分器将SIW传输段的电磁波均匀传输至八个Vivaldi天线单元，微带SIW转换结构包括微带线、梯形微带渐变线和SIW传输段，微带线和SIW传输段通过梯形微带渐变线连接，基于SIW的一分八路功分器包括金属层和感性金属通孔，Vivaldi天线单元包括Vivaldi辐射单元、椭圆形金属贴片和半椭圆形介质基板，椭圆形金属贴片加载在Vivaldi辐射单元的末端，椭圆形金属贴片覆盖在半椭圆形介质基板上。
作为本发明的优化方案，椭圆形金属贴片作为加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的引向器，Vivaldi天线单元还包括第一重叠区和第二重叠区，相邻Vivaldi辐射单元正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区，单个Vivaldi辐射单元金属层重叠的区域为第二重叠区。
作为本发明的优化方案，微带SIW转换结构还包括金属地，金属地位于介质板的背面，微带线和梯形微带渐变线位于介质板的正面，SIW传输段包括SIW金属层和SIW金属通孔，SIW金属层分别覆盖在介质板的正面和背面，SIW金属通孔排布在SIW金属层的两侧。
作为本发明的优化方案，介质板的厚度为0.254mm。
本发明具有积极的效果：1)本发明可以覆盖39.5-46GHz频段，并在原有阵列天线的基础上，在所覆盖频段内提高天线增益1dB以上；
2)本发明采用基于SIW的一分八路功分器对八个Vivaldi天线单元进行馈电，不但实现了良好的阻抗匹配，而且由于SIW结构所具有的封闭性，大大减小了馈电网络中的传输损耗；
3)本发明在Vivaldi辐射单元末端加载椭圆形金属贴片作为天线引向器，一方面使天线的表面电流聚集在辐射贴片的指数型渐变线附近，减小相邻Vivaldi天线单元之间的耦合，另一方面则可以起到引向作用，有效抑制电磁波在Vivaldi辐射单元表面的相位反转现象从而提高天线的增益；
4)本发明向外延伸的半椭圆形介质基板可产生透镜结构的作用，将辐射的电磁波由曲面波波前转换为平面波波前，提高了加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的增益，同时约束了天线的波束宽度；
5)本发明的Vivaldi辐射单元正面金属层和背面金属层重叠的区域第一重叠区和单个Vivaldi辐射单元金属层重叠的区域第二重叠区。第一重叠区通过电容加载，改变天线的输入电抗，拓展了低频带宽；第二重叠区改善馈电网络与天线单元之间的阻抗匹配。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的正面结构图；
图2是本发明的背面结构图；
图3是微带SIW转换结构的结构图；
图4是基于SIW的一分八路功分器的结构图；
图5是Vivaldi天线单元的结构图；
图6是本发明的仿真与实测的回波损耗图；
图7是本发明的仿真与实测的带内增益图；
图8是本发明仿真与实测的E面(YOZ面)方向图；
图9是本发明仿真与实测的H面(XOZ面)方向图；
其中：1、微带SIW转换结构，2、基于SIW的一分八路功分器，3、Vivaldi天线单元，4、介质板，11、微带线，12、梯形微带渐变线，13、SIW传输段，14、金属地，21、金属层，22、感性金属通孔，31、Vivaldi辐射单元，32、椭圆形金属贴片，33、半椭圆形介质基板，34、第一重叠区，35、第二重叠区，131、SIW金属层，132、SIW金属通孔。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明公开了一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，包括微带SIW转换结构1、基于SIW的一分八路功分器2和八个Vivaldi天线单元3，微带SIW转换结构1将馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，基于SIW的一分八路功分器2将SIW传输段的电磁波均匀传输至八个Vivaldi天线单元3，微带SIW转换结构1包括微带线11、梯形微带渐变线12和SIW传输段13，微带线11和SIW传输段13通过梯形微带渐变线12连接，基于SIW的一分八路功分器2包括金属层21和感性金属通孔22，Vivaldi天线单元3包括Vivaldi辐射单元31、椭圆形金属贴片32和半椭圆形介质基板33，椭圆形金属贴片32加载在Vivaldi辐射单元31的末端，椭圆形金属贴片32覆盖在半椭圆形介质基板33上。其中，微带SIW转换结构1将由微带线11馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波。
椭圆形金属贴片32作为加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的引向器，Vivaldi天线单元3还包括第一重叠区34和第二重叠区35，相邻Vivaldi辐射单元31正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区34，单个Vivaldi辐射单元31金属层重叠的区域为第二重叠区35。
微带SIW转换结构1还包括金属地14，金属地14位于介质板4的背面，微带线11和梯形微带渐变线12位于介质板4的正面，SIW传输段13包括SIW金属层131和SIW金属通孔132，SIW金属层131分别覆盖在介质板4的正面和背面，SIW金属通孔132排布在SIW金属层131的两侧。其中，介质板4的厚度为0.254mm，介质板4为Taconic TLY-5介质板。微带线11为特性阻抗为50欧姆的微带线。金属层21覆盖在介质板4的上下表面。
微带线11可与SMA接头直接焊接，梯形微带渐变线12起到将微带线11上传播的准TEM模电磁波转换为SIW传输段上传播的TE模电磁波的作用，实现了电磁能量的有效过渡。基于SIW的一分八路功分器2将电磁能量均匀传输至八个Vivaldi天线单元3，感性金属通孔22和介质板4两侧所覆盖的金属层21构成波导结构，使电磁能量只能沿着通道传输而不产生逸散；为改善功分器在目标频带内的传输特性，可通过调节基于SIW的一分八路功分器2内部关键位置处的感性金属通孔22的尺寸与位置来实现。Vivaldi辐射单元31的末端加载的椭圆形金属贴片32可作为天线引向器，一方面使天线的表面电流聚集在辐射贴片的指数型渐变线附近，减小相邻Vivaldi天线单元3之间的耦合，另一方面则可以起到引向作用，有效抑制电磁波的相位反转现象并提高天线的增益。向外延伸的半椭圆形介质基板33可产生透镜结构的作用，将辐射的电磁波由曲面波波前转换为平面波波前，提高了加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的增益，相邻Vivaldi辐射单元31正面金属层和背面金属层之间的第一重叠区34通过电容加载的作用，向低频拓展阻抗带宽。单个Vivaldi辐射单元31中金属层重叠的区域为第二重叠区35，这一重叠机构提高了天线与馈电网络之间的阻抗匹配。
图6是加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的仿真与实测的回波损耗图，可以看出带内回波损耗均小于-10dB；图7是加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线仿真与实测的带内增益图，可以看出加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的仿真与实测增益吻合度较高，均在18dBi附近，且随频率升高而总体呈上升趋势；图8是加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线仿真与实测的E面(YOZ面)方向图，可以看出天线的E面交叉极化分量比主极化分量低20dB，满足系统的实际应用需要；图9是加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线仿真与实测的H面(XOZ面)方向图，可以看出天线的H面交叉极化分量比主极化分量低14dB，满足实际需要。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，其特征在于：包括微带SIW转换结构(1)、基于SIW的一分八路功分器(2)和八个Vivaldi天线单元(3)，微带SIW转换结构(1)将馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，基于SIW的一分八路功分器(2)将SIW传输段的电磁波均匀传输至八个Vivaldi天线单元(3)，所述的微带SIW转换结构(1)包括微带线(11)、梯形微带渐变线(12)和SIW传输段(13)，微带线(11)和SIW传输段(13)通过梯形微带渐变线(12)连接，基于SIW的一分八路功分器(2)包括金属层(21)和感性金属通孔(22)，所述的Vivaldi天线单元(3)包括Vivaldi辐射单元(31)、椭圆形金属贴片(32)和半椭圆形介质基板(33)，所述的椭圆形金属贴片(32)加载在Vivaldi辐射单元(31)的末端，所述的椭圆形金属贴片(32)覆盖在半椭圆形介质基板(33)上。
2.根据权利要求1所述的一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，其特征在于：所述的椭圆形金属贴片(32)作为加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线的引向器，所述的Vivaldi天线单元(3)还包括第一重叠区(34)和第二重叠区(35)，相邻Vivaldi辐射单元(31)正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区(34)，单个Vivaldi辐射单元(31)金属层重叠的区域为第二重叠区(35)。
3.根据权利要求1或2所述的一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，其特征在于：所述的微带SIW转换结构(1)还包括金属地(14)，所述的金属地(14)位于介质板(4)的背面，所述的微带线(11)和梯形微带渐变线(12)位于介质板(4)的正面，所述的SIW传输段(13)包括SIW金属层(131)和SIW金属通孔(132)，所述的SIW金属层(131)分别覆盖在介质板(4)的正面和背面，所述的SIW金属通孔(132)排布在SIW金属层(131)的两侧。
4.根据权利要求3所述的一种加载引向器的高增益Vivaldi阵列天线，其特征在于：介质板(4)的厚度为0.254mm。
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