CN108400429A - 一种超宽带双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小型化低剖面超宽带双极化天线，应用于通信技术领域，比如高分辨雷达探测，电子对抗和超宽带无线通信等。天线整体为两个相似的类Vivaldi天线单元正交组合而成，从而实现双极化，类Vivaldi天线单元通过曲流技术和折叠卷曲，极大的减小了整体尺寸和剖面高度。对馈电微带线进行了改进设计，使之在整个频带内都具备良好的驻波特性。对天线单元的组合参数进行了优化，使天线两端口在整个频带内都具有良好的隔离度，最终本发明提供的天线在很宽的频带内实现了稳定的方向图和较低的交叉极化，且结构小，剖面低，能够更好的适应各种应用领域。

Description

一种超宽带双极化天线
技术领域
本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种3维的超宽带天线，通过折叠弯曲技术组合而成的超宽带双极化天线，具有±45°的正交极化特性，具有良好的极化纯度和端口隔离度。利用微带线转槽线的方式进行馈电，对馈电微带线进行了改进设计，使得天线在很宽的频带内都实现了良好的匹配。
背景技术
传统的无线电子设备，诸如雷达探测和无线通信设备，具有单一的极化方式和相对较窄的信号带宽。随着无线通信技术的不断发展，人们对无线电系统的探测分辨率、信息传输速度和信道容量等工作性能提出了越来越高的要求。双极化超宽带天线可以很好的满足该要求。特别是在雷达探测和成像应用中，极化分集可以极大地提高系统的分辨率和传输容量。同时极化分集还能有效的抑制复杂环境中的多径衰减效应。而超宽带技术在超高分辨率超宽带雷达，探地雷达，精确定位系统等方面也有了广泛的应用。
近年来超宽带天线得到了广泛的研究，其中行波天线由于其良好的时域响应和稳定的辐射模式得到了更多的重视，其中双极化超宽带天线就包括正交放置的Vivaldi天线。如文献(Wideband Dual-Polarized Cross-Shaped Vivaldi Antenna)提出的宽带正交极化Vivaldi天线，该天线阻抗带宽为0.7GHz-7.3GHz，剖面高度240mm(0.56λmax)，显然太高。
可见，现有的双极化Vivaldi天线都具有较大的尺寸，这很大程度上限制了它的应用场景和范围，尽管已经有学者将双极化Vivaldi天线集成在介质中以减小它的尺寸，但其依然有较长的纵向尺寸，而且采用高介电常数的介质大范围包裹对于天线的辐射效率和波束宽度影响很大，加工也很复杂。
发明内容
针对现有具有稳定辐射模式的超宽带双极化天线剖面过高的问题，本发明提供了一种小型化低剖面超宽带双极化天线。该天线整体结构小，剖面低，带宽很宽，端口隔离度大，交叉极化低，辐射模式稳定。
本发明通过以下方法实现上述天线的小型化低剖面设计：
一种超宽带双极化天线，其特征在于，包括：第一天线单元(1)和第二天线单元(2)；所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)正交放置，其中顶部齐平，底部有间隙；所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)都包括正面金属铜箔(3)、中间介质(4)和背面微带馈电线(5)，其中：第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的折叠弯曲之前的结构参数相同，其中，渐变缝隙由指数函数确定，其指数渐变曲线方程为：
y＝±(c1eRx+c2) (1)
式中R为指数因子；c1和c2由曲线的两个端点的坐标确定，设两个端点的坐标为a(x1,y1)和b(x2,y2),则有：
其中，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的各自两侧开设有曲流槽(7)，曲流槽的槽线形状由指数渐变曲线(9)和两条直线(10)、(11)组合确定。
上述技术方案中，所述中间介质采用柔性介质(4)，未附着金属铜箔的柔性介质部分都被去除。
上述技术方案中，所述背面馈电微带线呈阶梯状，由激励端到扇形匹配端的微带线逐渐变窄，长度逐渐变短。
上述技术方案中，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的背面馈电微带线以轴线(12)为中心呈对称分布。
上述技术方案中，所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)中靠近馈电端的部分进行了90°的弯折，靠近辐射端部分的两臂分别向相反方向进行了90°的卷曲。
上述技术方案中，所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)中靠近馈电端的部分弯折的长度不同，靠近辐射端的部分卷曲的长度相同。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
本发明具较小的结构和较低的剖面；本发明在很宽的带宽内都保持稳定朝上的定向辐射模式；本发明在很宽的带宽内都具有良好的驻波特性；本发明具有较低的交叉极化；本发明由两个类似的天线单元正交放置，结构简明。通过增加折叠长度和卷曲长度可进一步减小剖面高度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明小型化低剖面双极化天线的整体结构示意图；
图2为本发明的一种超宽带双极化天线主视图；
图3为本发明的一种超宽带双极化天线俯视图；
图4为本发明的一种超宽带双极化天线底视图；
图5为本发明天线单元1的分层结构示意图；
图6为本发明馈电微带线的结构示意图；
图7为本发明天线单元2折叠卷曲之前的主视图；
图8为本发明天线单元1折叠卷曲之前的主视图；
图9为本发明超宽带双极化天线的S参数图；
图10为本发明超宽带双极化天线端口1在1.8GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图11为本发明超宽带双极化天线端口2在1.8GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图12为本发明超宽带双极化天线端口1在4.5GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图13为本发明超宽带双极化天线端口2在4.5GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图14为本发明超宽带双极化天线端口1在7.9GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图15为本发明超宽带双极化天线端口2在7.9GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图16为本发明超宽带双极化天线端口1在12GHz时的主极化和交叉极化增益方向图；
图17为本发明超宽带双极化天线端口2在12GHz时的主极化和交叉极化增益方向图。
其中，1-第一天线单元，2-第二天线单元，3-正面金属铜箔，4-中间介质，5-背面微带馈电线，6-辐射开口，7-曲流槽，8-匹配腔，9-指数槽线，10-直线槽线，11-直线槽线，12-轴线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1至图4，本发明的一种超宽带双极化天线，包括第一天线单元(1)和第二天线单元(2)；所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)正交放置，其中顶部齐平，底部有间隙；所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)都包括正面金属铜箔(3)、中间介质(4)和背面微带馈电线(5)，其中：第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的折叠弯曲之前的结构参数相同，本发明的第一天线单元(1)和第二天线单元(1)都采类Vivaldi天线单元，对传统的Vivaldi天线采用曲流技术以及对改进后的类Vivaldi天线进行折叠和卷曲。其中，渐变缝隙由指数函数确定，其指数渐变曲线方程为：
y＝±(c1eRx+c2) (1)
式中R为指数因子；c1和c2由曲线的两个端点的坐标确定，设两个端点的坐标为a(x1,y1)和b(x2,y2),则有：
其中，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的各自两侧开设有曲流槽，曲流槽形状由指数渐变曲线和两条直线组合确定。
其中，背面微带馈电线以轴线(12)为中心呈对称分布。
背面微带馈电线(5)采用微带线转槽线的馈电结构。本发明中的Vivaldi天线采用微带线转槽线的馈电方式，介质基板采用相对介电常数为2.55，厚度为0.762mm的柔性介质，金属铜箔的厚度为0.035mm，便于弯折加工。
为了使天线在整个频带内都具备良好的驻波特性，所述背面馈电微带线(5)呈阶梯状，由激励端到扇形匹配端的微带线逐渐变窄，长度逐渐变短。
为了降低天线的剖面，所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)中靠近馈电端的部分进行了90°的弯折，为了进一步降低天线的剖面高度，靠近辐射端的部分进行了90°的卷曲。
本发明中，所述第一天线单元和所述第二天线单元中靠近馈电端的部分弯折的长度不同，靠近辐射端的部分卷曲的长度相同。
本发明中通过两个相似的小型化低剖面Vivaldi天线单元正交放置实现±45°双极化。正交放置的Vivaldi天线靠近馈电端的折叠长度不同，其差值等于两天线的底端的间隔高度，从而保持上端也就是辐射端平齐。
所述中间介质采用柔性介质，未附着金属铜箔的柔性介质部分都被去除。具体地，为了便于弯折处理以及降低交叉放置的两Vivaldi天线间的介质耦合，天线中没有附着金属铜箔的介质都被去除。仿真验证不会影响天线的辐射特性和阻抗特性。
具体实施例一：
一种小型化低剖面双极化超宽带双极化天线，天线整体为两个正交放置的小型化Vivaldi天线单元组合而成，两个小型化Vivaldi天线单元结构基本相同，都在两侧开了曲流槽，同时在靠近辐射端的部分进行了90°的卷曲，卷曲长度都为60mm；在靠近馈电端的部分进行了90°折叠，折叠长度不同，天线单元2的折叠长度为30mm，天线单元1的折叠长度为35mm，长度差等于天线正交放置时的高度差，即两个天线单元底部间隔为5mm，此高度差对两个端口在低频段的隔离度由较大影响。两个天线单元辐射端口平齐，保证了两端口辐射特性的一致性。天线的整体高度为77.8mm，宽度为100mm。
进一步地，请参阅图5和图6，其显示的是两个天线单元未进行折叠和卷曲的结构，长130mm，宽100mm。天线单元的开口6的渐变线由指数函数确定。指数因子R取0.04，开口6宽度为40mm。天线单元的圆形匹配腔8的半径取14mm。天线两侧的曲流槽7由一条指数线8和两条直线10和11构成。指数线的指数因子R1取0.06。两个天线单元唯一的不同在于馈电微带线的位置以轴线12为中心对称放置。这主要是为了减小组合放置时端口间的耦合。两个天线单元结构都包括：上层金属铜箔，厚度为0.035mm；中间柔性介质，介电常数为2.55，厚度为0.762mm；底层微带馈线，请参阅图6，长度由长变短，宽度由宽变窄，馈线的末端是夹角为100°的扇形匹配枝节。
本发明采用全波电磁仿真软件进行了仿真，定义天线单元1的端口为端口1，天线单元2的端口为端口2，这两个端口的仿真的S参数如图9所示，可见本发明天线的两个端口在0.86GHz-12.2GHz范围内的回波损耗基本都小于-10dB，隔离度都大于10dB，1.8GHz以后的隔离度都大于20dB。可以满足实际的超宽带双极化通信系统的要求。
为了表征该天线的辐射特性，在此选择两个主平面，两个主平面和xoz和yoz分别呈45°夹角。因为该天线经过弯折设计后极化方向为±45°。分别给出了两个主平面内的主极化和交叉极化方向图以说明该天线的辐射特性。图10、图12、图14、题16分别给出了天线端口1在1.8GHz、4.5GHz、7.9GHz、12GHz的辐射特性。图11、图13、图15、图17分别给出了端口2在1.8GHz、4.5GHz、7.9GHz、12GHz的辐射特性。可以看出天线两个极化端口均具有稳定朝上辐射的主极化方向图，且具有较低的交叉极化。即该天线可以在很宽的频带内较好地实现双极化的工作性能。
本发明提供了一种小型化低剖面双极化超宽带天线，应用于通信技术领域，比如高分辨雷达探测，电子对抗和超宽带无线通信等。天线整体为两个相似的类Vivaldi天线单元正交组合而成，从而实现双极化，类Vivaldi天线单元通过曲流技术和折叠卷曲，极大的减小了整体尺寸和剖面高度。利用微带线转槽线的馈电方式，并对馈电微带线进行了改进设计，使之在整个频带内都具备良好的驻波特性。对天线单元的组合参数进行了优化，使天线两端口在整个频带内都具有良好的隔离度，最终本发明提供的天线在很宽的频带内的实现了稳定的方向图和较低的交叉极化，且结构小，剖面低，能够更好的适应各种应用领域。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种超宽带双极化天线，其特征在于，包括：第一天线单元(1)和第二天线单元(2)；所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)正交放置，其中顶部齐平，底部有间隙；所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)都包括正面金属铜箔(3)、中间介质(4)和背面微带馈电线(5)，其中：第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的折叠弯曲之前的结构参数相同，其中，渐变缝隙由指数函数确定，其指数渐变曲线方程为：
y＝±(c1eRx+c2) (1)
式中R为指数因子；c1和c2由曲线的两个端点的坐标确定，设两个端点的坐标为a(x1,y1)和b(x2,y2),则有：
其中，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的各自两侧开设有曲流槽(7)，曲流槽的槽线形状由指数渐变曲线(9)和两条直线(10)、(11)组合确定。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化天线，其特征在于，所述中间介质采用柔性介质(4)，未附着金属铜箔的柔性介质部分都被去除。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化天线，其特征在于，所述背面馈电微带线呈阶梯状，由激励端到扇形匹配端的微带线逐渐变窄，长度逐渐变短。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化天线，其特征在于，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)的背面馈电微带线以轴线(12)为中心呈对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带双极化天线，其特征在于，所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)中靠近馈电端的部分进行了90°的弯折，靠近辐射端部分的两臂分别向相反方向进行了90°的卷曲。
6.根据权利要求5所述的一种超宽带双极化天线，其特征在于，所述第一天线单元(1)和所述第二天线单元(2)中靠近馈电端的部分弯折的长度不同，靠近辐射端的部分卷曲的长度相同。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109031310A (zh) * 2018-08-16 2018-12-18 南京信息工程大学 S波段降水粒子散射测量仪、测量系统及测量方法
WO2021254250A1 (zh) * 2020-06-15 2021-12-23 中兴通讯股份有限公司 一种超宽带天线及设备
CN113937473A (zh) * 2021-09-11 2022-01-14 中国人民武装警察部队工程大学 一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060273974A1 (en) * 2003-07-25 2006-12-07 Stichting Astron Dual polarised antenna device for an antenna array and method for manufacturing the same
CN101752659A (zh) * 2010-02-10 2010-06-23 东南大学 使用共面波导馈电的超宽频带双面渐变槽线天线
CN203826551U (zh) * 2014-04-16 2014-09-10 常州吉赫射频电子技术有限公司 一种具有超宽带双极化特性的Vivaldi印刷天线
CN105226400A (zh) * 2015-09-16 2016-01-06 哈尔滨工业大学（威海） 一种宽带双极化相控阵天线及全极化波束形成方法
US9325075B1 (en) * 2012-05-25 2016-04-26 Lockheed Martin Corporation Antennae formed using integrated subarrays
CN106463836A (zh) * 2014-05-09 2017-02-22 诺基亚通信公司 改进的天线布置
WO2017086853A1 (en) * 2015-11-17 2017-05-26 Gapwaves Ab A self-grounded surface mountable bowtie antenna arrangement, an antenna petal and a fabrication method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060273974A1 (en) * 2003-07-25 2006-12-07 Stichting Astron Dual polarised antenna device for an antenna array and method for manufacturing the same
CN101752659A (zh) * 2010-02-10 2010-06-23 东南大学 使用共面波导馈电的超宽频带双面渐变槽线天线
US9325075B1 (en) * 2012-05-25 2016-04-26 Lockheed Martin Corporation Antennae formed using integrated subarrays
CN203826551U (zh) * 2014-04-16 2014-09-10 常州吉赫射频电子技术有限公司 一种具有超宽带双极化特性的Vivaldi印刷天线
CN106463836A (zh) * 2014-05-09 2017-02-22 诺基亚通信公司 改进的天线布置
CN105226400A (zh) * 2015-09-16 2016-01-06 哈尔滨工业大学（威海） 一种宽带双极化相控阵天线及全极化波束形成方法
WO2017086853A1 (en) * 2015-11-17 2017-05-26 Gapwaves Ab A self-grounded surface mountable bowtie antenna arrangement, an antenna petal and a fabrication method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARKO SONKKI等: "Wideband Dual-Polarized Cross-Shaped Vivaldi Antenna", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109031310A (zh) * 2018-08-16 2018-12-18 南京信息工程大学 S波段降水粒子散射测量仪、测量系统及测量方法
WO2021254250A1 (zh) * 2020-06-15 2021-12-23 中兴通讯股份有限公司 一种超宽带天线及设备
CN113937473A (zh) * 2021-09-11 2022-01-14 中国人民武装警察部队工程大学 一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统
CN113937473B (zh) * 2021-09-11 2024-03-29 中国人民武装警察部队工程大学 一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统

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