CN108736147A - 一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，是由四个相同的立体结构的Vivaldi天线本体和金属反射板组成；Vivaldi天线本体包括：一对脊臂及其相连通的天线腔体、矩形槽、矩形谐振腔、圆柱同轴外导体、圆柱同轴内导体以及圆柱同轴馈电接口，并是以一对脊臂为辐射区，以矩形槽为传输区，以圆柱同轴外导体、圆柱同轴内导体和圆柱同轴馈电接口为馈电区，从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。本发明根据现代雷达技术对工作带宽、扫描角度等指标要求，设计出的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元具有宽频带、圆极化性能极佳、可实现俯仰±35°扫描等优良性能，同时具有小型化、结构简单、损耗低等优点。

Description

一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元
技术领域
本发明涉及超宽带天线技术领域，更具体地说是一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元。
背景技术
随着无线射频技术的进步，线极化天线已经不适用于的特殊的设备要求。在远距离传输和抗干扰方面，圆极化天线有显著的优势，圆极化波在雨雪中传播衰减小，能穿透电离层，不受地球磁场产生的法拉第效应影响。同时，圆极化天线能有效抑制多径干扰或多径衰落，且不要求发射和接收设备天线间的严格方位对准。因此，圆极化天线在无线通信领域应用十分广泛，现阶段圆极化天线有以下几种形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。
1、微带天线，由于具有低剖面、易加工、低成本、易共形等众多优点而被广泛应用于各种无线通信系统中，可以通过单馈点、双馈点和串馈结构实现圆极化。单馈点结构简单，但是轴比带宽一般较窄，而且加工公差较难控制；双馈点结构可以有效抑制不需要的高次模，具有较高的极化纯度和更宽的轴比带宽，缺点是需要复杂的馈电网络且天线体积较大；串馈结构轴比带宽宽，但是馈电网络不易设计且体积较大；
2、基片集成波导天线，是近年来提出的一种可以在PCB、LTCC等工艺上实现，可以代替传统的矩形金属波导的类波导结构，大大减小了天线的体积，很适用于高频微波毫米波系统的设计。但由于其发展还不够成熟，其内部激励的模式比较复杂，导致圆极化轴比带宽比较窄，同时加工工艺难度较大，成本高；
3、螺旋天线，最早是由美国俄亥俄大学的约翰克劳斯在其1947年的论文中提出，螺旋天线发展到现在已经出现了非常多的形式，其中比较典型的是多臂螺旋天线和平面螺旋天线。多臂膀螺旋天线具有非常好的超宽带特性，但尺寸较大，不利于小型化。而平面螺旋天线虽然符合低剖面设计的要求，但是为了得到较好的圆极化特性，天线仍相对较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种高强度、小型化、安装简单、造价低廉的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，以期能实现圆极化，并实现超宽带轴比带宽，从而使得天线可以抑制雨雾反射杂波等干扰，更好地接收和发射系统信息。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，由四个呈中心对称布设于金属反射板上的立体结构的Vivaldi天线本体构成，所述Vivaldi天线本体的结构设置为：
以脊臂及其相连通的天线腔体构成整体结构，在所述脊臂底部、位于天线腔体的上部设置一矩形槽，所述矩形槽的一端与天线腔体内的矩形谐振腔相连通，另一端弯折向上、与脊臂内曲面的下边缘两侧相连通，以所述矩形槽形成矩形谐振腔内震荡所得加强的电磁波向所述一对脊臂的引导传输；
圆柱同轴馈电接口设置于所述天线腔体的底面、与所述金属反射板相连通，圆柱同轴内导体套装于圆柱同轴外导体内、整体设于所述天线腔体内、底端分别与所述圆柱同轴馈电接口相连通，所述圆柱同轴内导体的顶端穿过所述矩形槽与矩形槽的顶部边缘相连通，所述圆柱同轴外导体的顶端与所述矩形槽的底部边缘相连通；
所述超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元是以一对脊臂为辐射区，以矩形槽为传输区，以圆柱同轴内导体、圆柱同轴外导体及圆柱同轴馈电接口为馈电区，从而利用辐射区、传输区与馈电区实现能力的接收和发送。
本发明的结构特点也在于：
所述Vivaldi天线本体为金属材料。
所述一对脊臂中任一脊臂的内曲面均为e指数函数曲线，且一对脊臂相对而设呈喇叭状。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元将矩形槽进行曲折处理，考虑到加工的精度，不能采用特别复杂的结构。经过多次调试，兼顾天线性能与实用性，在不增加天线体积的条件下得到更长的匹配长度，从而增加阻抗带宽；
2、本发明加入矩形谐振腔，提高了天线的方向性，与传统的圆柱谐振腔相比，由于增加了电流经过的路径，可以降低谐振频率，可以实现更宽的带宽；
3、Vivaldi天线实现圆极化性能通常采用十字型结构或者L型结构，但其轴比效果均不够理想。本天线采用中心对称结构，其X、Y轴方向电场辐射非常对称，可以实现极好的圆极化轴比，其相对轴比带宽为56％；
4、本发明超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元解决了多个天线相互耦合带来的天线端口回波阻抗急剧恶劣的影响，每个天线端口的回波阻抗均在3以下，满足工程上的要求。
附图说明
图1是本发明超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元的立体结构示意图；
图2是图1中Vivaldi天线本体的正视结构示意图；
图3是本发明的端口驻波图；
图4是本发明6.5～12.1GHz频段范围内的法向轴比图；
图5是本发明在9.5GHz处的全向轴比图。
图中，1Vivaldi天线本体；2金属反射板；3脊臂；4内曲面；5天线腔体；6矩形谐振腔；7矩形槽；8圆柱同轴内导体；9圆柱同轴外导体；10圆柱同轴馈电接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图2，本实施例的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，由四个呈中心对称布设于金属反射板2上的立体结构的Vivaldi天线本体1构成，采用中心对称结构可以使得X、Y轴方向电场辐射非常对称，大大提高圆极化的纯度，其中，Vivaldi天线本体1的结构设置为：
以脊臂3及其相连通的天线腔体5构成整体结构，在脊臂3底部、位于天线腔体5的上部设置一矩形槽7，矩形槽7的一端与天线腔体5内的矩形谐振腔6相连通，另一端弯折向上、与脊臂3内曲面4的下边缘两侧相连通，因为一对脊臂和矩形谐振腔6在空气中的阻抗不一致，利用矩形槽7过渡可以得到更好的阻抗带宽，同时，矩形槽7可以将矩形谐振腔6里震荡得到加强的电磁波引导到脊臂3，实现电磁波的传输；除此之外，将矩形槽7进行弯折处理，可以在不增加天线体积的情况下得到更长的匹配槽线长度；由于电流在矩形谐振腔6走过的路径比矩形谐振腔6更长，可以使得天线在更低的频率上谐振；
圆柱同轴馈电接口10设置于天线腔体5的底面、与金属反射板2相连通，避免了天线辐射的影响，用于连接馈线，圆柱同轴内导体8套装于圆柱同轴外导体9内、整体设于天线腔体5内、底端分别与圆柱同轴馈电接口10相连通，圆柱同轴内导体8的顶端穿过矩形槽7与矩形槽7的顶部边缘相连通，圆柱同轴外导体9的顶端与矩形槽7的底部边缘相连通，能量通过馈线，馈进天线体内，再到辐射区；本实施例采用圆柱同轴馈电的方式，减少了微带线或者带状线馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，易于匹配，也减少了产生的色散现象，而且加工也更加方便，同时寄生辐射也比较低；
其中，金属反射板2的作用主要是用于提高增益和方向性，提高接收灵敏度，阻挡及屏蔽来自反方向的电波，增加天线的接收能力，有利于提高天线辐射方向的定向性；
具有上述结构的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元是以一对脊臂为辐射区，以矩形槽7为传输区，以圆柱同轴内导体8、圆柱同轴外导体9及圆柱同轴馈电接口10为馈电区，从而利用辐射区、传输区与馈电区实现能力的接收和发送。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
Vivaldi天线本体1为金属材料，采用金属材料可以加强整个天线的物理强度，在恶劣条件下使用时间更加持久，并且可以提高反射信号的强度。一方面在保证结构必要支撑强度的基础上节省了材料，降低了成本，另一方面采用单一加工材料也降低了天线加工的复杂程度。
一对脊臂中任一脊臂3的内曲面4均为e指数函数曲线，且一对脊臂相对而设呈喇叭状。电磁波通过内曲面4将能量辐射出去，e指数函数的通式为y＝±(aebx+c)，其中a，b，c是常数，通过合理的设置，可以在兼顾效率和方向性等指标下扩展频带。
如图3至图5所示，通过仿真测试，该天线单元在Phi＝60°，Theta＝35°的角度条件下，所有端口有源驻波比值在6.5GHz到12.1GHz的设计频段内均小于3，符合工程上对天线单元有源驻波比值的要求。同时在6.5GHz到12.1GHz频段范围内，法向轴比小于0.1dB；在中频9.5GHz处，全空间轴比小于0.25dB。一般圆极化天线的要求是轴比小于3dB，其轴比值越小圆极化性能越好，因此可以说本天线的圆极化性能非常好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，其特征是由四个呈中心对称布设于金属反射板(2)上的立体结构的Vivaldi天线本体(1)构成，所述Vivaldi天线本体(1)的结构设置为：
以脊臂及其相连通的天线腔体(5)构成整体结构，在所述脊臂(3)底部、位于天线腔体(5)的上部设置一矩形槽(7)，所述矩形槽(7)的一端与天线腔体(5)内的矩形谐振腔(6)相连通，另一端弯折向上、与脊臂(3)内曲面(4)的下边缘两侧相连通，以所述矩形槽(7)形成矩形谐振腔(6)内震荡所得加强的电磁波向所述一对脊臂的引导传输；
圆柱同轴馈电接口(10)设置于所述天线腔体(5)的底面、与所述金属反射板(2)相连通，圆柱同轴内导体(8)套装于圆柱同轴外导体(9)内、整体设于所述天线腔体(5)内、底端分别与所述圆柱同轴馈电接口(10)相连通，所述圆柱同轴内导体(8)的顶端穿过所述矩形槽(7)与矩形槽(7)的顶部边缘相连通，所述圆柱同轴外导体(9)的顶端与所述矩形槽(7)的底部边缘相连通；
所述超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元是以一对脊臂为辐射区，以矩形槽(7)为传输区，以圆柱同轴内导体(8)、圆柱同轴外导体(9)及圆柱同轴馈电接口(10)为馈电区，从而利用辐射区、传输区与馈电区实现能力的接收和发送。
2.根据权利要求1所述的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，其特征是：所述Vivaldi天线本体(1)为金属材料。
3.根据权利要求1所述的超宽带Vivaldi圆极化相控阵天线单元，其特征是：所述一对脊臂中任一脊臂(3)的内曲面(4)均为e指数函数曲线，且一对脊臂相对而设呈喇叭状。
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