CN110739536B - 半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种半模Vivaldi天线，包括上下相对设置的辐射单元层和馈电网络层；辐射单元层和馈电网络层之间通过微带孔耦合结构信号连接；微带孔耦合结构，由馈电网络层的微带传输线和辐射单元层的微带馈线组成；微带传输线上开设第二金属化过孔；微带馈线上开设第一金属化过孔。本发明还提出了一种小型化大角度频扫天线阵列。

Description

半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列
技术领域
本发明属于微波技术领域中的波束扫描天线技术领域，尤其涉及一种半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列。
背景技术
随着无线探测技术的不断发展，可控制波束指向的波束扫描天线在雷达和通信等领域得到了广泛的应用。根据扫描方式的不同分为机械扫描天线和电扫描天线，
然而，现有技术中的机械扫描天线和电扫描天线分别存在以下缺陷：1)机械扫描天线是通过机械转动实现波束扫描，这种方式扫描速度慢；2)电扫描天线是通过电控的方法使天线在没有机械运动的情况下实现波束扫描，这种方式扫描速度快、精度高。电扫描天线又可以分为以下四种：相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电开关扫描。目前相控阵雷达中的相位扫描技术应用最为广泛，但是设计复杂度和成本都很高。频率波束扫描天线通过改变信号频率从而改变天线单元间的相位差来实现波束扫描，因其扫描速度快、结构简单、成本低而受到广泛关注。运用较为广泛的频扫天线是矩形波导窄边裂缝行波阵天线和漏波天线，它们的尺寸和重量都比较大、剖面高且角度扫描范围小，使其应用范围受到极大地限制。未来的通信市场迫切需要一种能同时满足快速跟踪、灵活安装、尺寸小且生产成本低的新型天线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列，该天线阵列结构简单，尺寸小，波束扫描范围大且造价低，可用作无线探测系统中的雷达天线。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出了一种半模Vivaldi天线，包括上下相对设置的辐射单元层和馈电网络层；所述辐射单元层和馈电网络层之间通过传输线结构信号连接；
所述传输线结构，由所述馈电网络层的微带传输线和辐射单元层的微带馈线组成；
其中，所述微带传输线上开设第二金属化过孔；所述微带馈线上开设第一金属化过孔；
电磁信号通过所述微带传输线的一端馈入，依次经所述第二金属化过孔、第一金属化过孔耦合至所述微带馈线上；
所述辐射单元层进一步包括第一介质基板、辐射臂、渐变辐射缝隙、金属地和电臂；
其中，所述电臂包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属化过孔；
所述第一金属贴片印制在所述第一介质基板的正面；所述第二金属贴片印制在所述第一介质基板的反面；
所述第三金属化过孔开设在所述第一介质基板位于所述第一金属贴片、第二金属贴片之间的部分；
所述第二金属贴片的一端一体式与所述金属地连接；
所述辐射臂位于所述第一介质基板的正面；所述辐射臂和所述第一金属贴片之间围成所述渐变辐射缝隙；
所述辐射臂的靠近金属地一端与所述微带馈线一体式连接。
优选地，所述第一金属贴片、第二金属贴片上均开设金属化过孔。
优选地，辐射臂的边缘形状为波浪形结构；所述金属地的边缘形状为分段曲线结构。
优选地，所述微带馈线还包括一个二阶阻抗变换器；所述二阶阻抗变换器位于所述第一介质基板的正面。
优选地，所述第一介质基板、金属地上开设与所述第一金属化过孔对应的孔。
优选地，所述馈电网络层进一步包括第二介质基板；所述第二介质基板的反面印制所述微带传输线。
优选地，所述第二介质基板上开设与所述第二金属化过孔对应的孔。
本发明还提出了一种小型化大角度频扫天线阵列，包括呈阵列排布的所述半模Vivaldi天线。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明采用平面结构的串联馈电HM-Vivaldi天线，通过该天线的串联馈电网络输入不同工作频率的电磁信号，经过微带传输线、第一金属化过孔、第二金属化过孔及微带馈线组成的微带孔耦合结构，耦合到上层HM-Vivaldi辐射单元，实现频率波束扫描，馈电方式简单易实现，尺寸小，波束扫描范围大且造价低。
附图说明
图1为本发明实施例三的半模Vivaldi天线中辐射单元层的俯视图；
图2为图1的侧视图；
图3为图1的透视图；
图4为本发明实施例三的小型化大角度频扫天线阵列中馈电网络层的俯视图；
图5为图4的侧视图；
图6为图4的透视图；
图7为本发明实施例三的小型化大角度频扫天线阵列的俯视图；
图8为图7的侧视图；
图9为图7的透视图；
图10是本发明实施例三的小型化大角度频扫天线阵列的S参数图；
图11是本发明实施例三小型化大角度频扫天线阵列工作在10.6GHz时E面辐射方向图；
图12是是本发明实施例三小型化大角度频扫天线阵列工作在不同频率时的波束扫描方向图。
其中，100-辐射单元层，110-第一介质基板，120-辐射臂，121-波浪形结构，130-渐变辐射缝隙，140-金属地，141-分段曲线结构，150-电壁，151-第一金属贴片，152-第二金属贴片，153-第三金属化过孔，160-微带馈线，161-二阶阻抗变换器，162-第一金属化过孔，200-馈电网络层，210-微带传输线，220-第二金属化过孔，230-第二介质基板。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例1
如图1～9所示，一种半模Vivaldi天线，包括上下相对设置的辐射单元层100和馈电网络层200；辐射单元层100为HM-Vivaldi天线，馈电网络层200为串联馈电网络。辐射单元层100和馈电网络层200之间通过传输线结构信号串联连接。
具体的，传输线结构，由馈电网络层200的微带传输线210和辐射单元层100的微带馈线160组成；微带传输线210上开设第二金属化过孔220；微带馈线160上开设第一金属化过孔162；电磁信号通过微带传输线210的一端馈入，依次经第二金属化过孔220、第一金属化过孔162耦合至微带馈线160上。
如图1～3所示，辐射单元层100进一步包括第一介质基板110、辐射臂120、渐变辐射缝隙130、金属地140和电臂150。其中，电臂150包括第一金属贴片151、第二金属贴片152和第三金属化过孔153，根据镜像原理，电壁150上的感应电流可以代替HM-Vivaldi辐射臂120在其对称位置处的镜像电流；第一金属贴片151和第二金属贴片152分别印制在第一介质基板110的正反面；第三金属化过孔153开设在第一介质基板110位于第一金属贴片151、第二金属贴片152之间的部分；第二金属贴片152的一端一体式与金属地140连接；辐射臂120位于第一介质基板110的正面；辐射臂120和第一金属贴片151之间围成渐变辐射缝隙130；辐射臂120的靠近金属地140一端与微带馈线160一体式连接。
在本实施例中，调整金属地140上椭圆缝隙的轴比使天线阻抗匹配的效果更好。
在本实施例中，第一金属贴片151、第二金属贴片152上均开设金属化过孔。
在本实施例中，微带馈线160还包括一个二阶阻抗变换器161；二阶阻抗变换器161位于第一介质基板110的正面。
在本实施例中，第一介质基板110、金属地140上开设与第一金属化过孔162对应的孔。
如图4～6所示，馈电网络层200进一步包括第二介质基板230；第二介质基板230的反面印制微带传输线210。
在本实施例中，第二介质基板230上开设与第二金属化过孔220对应的孔。
如图7～9所示，一种小型化大角度频扫天线阵列，包括上述半模Vivaldi天线，其中，半模Vivaldi天线呈阵列排布。考虑到自由空间天线组阵的要求，间距为0.7λ10.5GHz。由于天线单元之间的距离是固定不变的，所以当改变工作频率时，天线单元之间的相位差随之变化，使得天线辐射方向发生变化。通过输入不同工作频率的电磁信号，改变天线波束指向，实现频率波束扫描。该天线阵列通过串联馈电网络输入不同工作频率的电磁信号，改变天线波束指向，实现频率波束扫描。
该小型化大角度频扫天线阵列的工作原理为：通过第一金属化孔和第二金属化孔连接上层辐射单元层100和下层馈电网络层200。下层微带传输线210上的电磁信号通过第二金属化过孔220、微带馈线160上的第一金属化过孔162耦合到上层辐射单元层100的微带馈线160上后，电磁信号通过渐变辐射缝隙130向自由空间辐射。
在本实施例中，Vivaldi天线，是一种通过渐变缝隙辐射电磁波的宽带行波端射天线，结构简单、易于共形且造价低，但其尺寸较大，不易于组阵形成频扫天线。HM-Vivaldi天线运用镜像原理，使天线尺寸约缩减为原来的二分之一。相比于传统的波导缝隙和漏波频扫天线，HM-Vivaldi频扫天线阵列剖面低，结构简单且造价低。此外，HM-Vivaldi频扫天线阵元间距小，易于实现宽角度波束扫描特性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例对辐射臂120的边缘形状、金属地140的边缘形状作了进一步结构优化，具体如下：
在本实施例中，辐射臂120的边缘形状为波浪形结构121增加表面电流强度，提高天线的增益。
在本实施例中，金属地140的边缘形状为分段曲线结构141。渐变辐射缝隙130末端的宽度决定了天线的最低截止频率，渐变辐射缝隙130弯曲程度和金属地140上椭圆缝隙的轴比可以改善天线的阻抗匹配。
实施例3
图2中黑色部分为第三金属化过孔153。在实施例2的基础上，使得微带馈线160上的第一金属化过孔162与串联馈电网络上的第二金属化过孔220对齐。
图10显示了该天线阵列的S参数仿真结果，从图中可看出天线工作频率为6-15GHz，S11≤-10dB的阻抗带宽达到85.7％。
图11显示了天线阵列工作在10.6GHz时的辐射方向图仿真结果。从图中可以看出在频点10.6GHz上，天线具有14.0dBi的增益，旁瓣电平比为-11.0dB，前后比为14.7dB。
图12显示了天线阵列方向图随频率变化图，从图中可看出，6GHz时增益10.6dBi，扫描角88°，7GHz时增益12.8dBi，扫描角48°，8GHz时增益9.7dBi，扫描角28°，9GHz时增益12.1dBi，扫描角14°，10GHz时增益13.7dBi，扫描角4°，11GHz时增益14.6dBi，扫描角-4°，12GHz时增益15.0dBi，扫描角-9°，13GHz时增益14.0dBi，扫描角-15°，14GHz时增益15.1dBi，扫描角-20°，15GHz时增益14.6dBi，扫描角-24°。
综上，在本发明实施例提供的半模Vivaldi天线及小型化大角度频扫天线阵列中，具有以下优点：
(1)传统频扫天线为矩形波导窄边裂缝行波阵天线和漏波天线，尺寸和重量都比较大、剖面高，角度扫描范围小。本发明采用平面结构的串联馈电HM-Vivaldi天线，结构简单，尺寸小，波束扫描范围大且造价低。
(2)本发明通过串联馈电网络输入不同工作频率的电磁信号，经过微带传输线210孔耦合到上层HM-Vivaldi辐射单元层100，实现频率波束扫描，馈电方式简单易实现。
(3)本发明采用的HM-Vivaldi辐射单元层100，利用镜像原理用电壁150等效一半的Vivaldi天线，使天线尺寸约缩减为原来的二分之一。
(4)本发明采用HM-Vivaldi天线直接相连组阵，减小了天线单元之间的阵元间距，扩大了波束扫描角度范围。
(5)本发明辐射臂120边缘形状采用波浪形结构121提高天线的增益。
(6)本发明金属地140边缘形状采用分段曲线结构141使天线更容易达到阻抗匹配。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半模Vivaldi天线，其特征在于，包括上下相对设置的辐射单元层和馈电网络层；所述辐射单元层和馈电网络层之间通过微带传输线结构信号连接；
所述微带传输线结构，由所述馈电网络层的微带传输线和辐射单元层的微带馈线组成；
其中，所述微带传输线上开设第二金属化过孔；所述微带馈线上开设第一金属化过孔；
电磁信号通过所述微带传输线的一端馈入，依次经所述第二金属化过孔、第一金属化过孔耦合至所述微带馈线上；
所述辐射单元层进一步包括第一介质基板、辐射臂、渐变辐射缝隙、金属地和电臂；
其中，所述电臂包括第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属化过孔；
所述第一金属贴片印制在所述第一介质基板的正面；所述第二金属贴片印制在所述第一介质基板的反面；
所述第三金属化过孔开设在所述第一介质基板位于所述第一金属贴片、第二金属贴片之间的部分；
所述第二金属贴片的一端一体式与所述金属地连接；
所述辐射臂位于所述第一介质基板的正面；所述辐射臂和所述第一金属贴片之间围成所述渐变辐射缝隙；
所述辐射臂的靠近金属地一端与所述微带馈线一体式连接。
2.根据权利要求1所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述第一金属贴片、第二金属贴片上均开设金属化过孔。
3.根据权利要求1所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，辐射臂的边缘形状为波浪形结构；所述金属地的边缘形状为分段曲线结构。
4.根据权利要求1所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述微带馈线还包括一个二阶阻抗变换器；所述二阶阻抗变换器位于所述第一介质基板的正面。
5.根据权利要求1所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述第一介质基板、金属地上开设与所述第一金属化过孔对应的孔。
6.根据权利要求1所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述馈电网络层进一步包括第二介质基板；所述第二介质基板的反面印制所述微带传输线。
7.根据权利要求6所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述第二介质基板上开设与所述第二金属化过孔对应的孔。
8.一种小型化大角度频扫天线阵列，包括权利要求1～7之任一项所述的半模Vivaldi天线，其特征在于，所述半模Vivaldi天线呈阵列排布。
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