CN112117551A - 一种超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线。该天线由多个立体结构的金属阵列天线单元阵列式排布在金属底板上构成；每个金属阵列天线单元包括左右两个相邻的金属Vivaldi天线板和SMA射频连接器；金属Vivaldi天线板包括同轴馈电孔、矩形匹配空腔、90°弯折槽、宽度渐变槽和辐射指数渐变槽；所述金属Vivaldi天线板设置为尖劈形，两个相邻金属Vivaldi天线板左右拼接成一个喇叭形辐射槽线。本发明具有工作频带宽、结构强度高、耐功率大的优点，可实现二维大角度扫描，易于模块化扩展和批量加工制造。
Description
技术领域
本发明属于雷达电子战天线技术领域，特别是一种超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线。
背景技术
随着现代雷达通信技术的发展，相控阵天线得到了越来越广泛的应用。相比雷达通信系统，电子战系统对阵列天线的性能要求更为苛刻。更宽的工作频带，更大的扫描角度以及模块化可扩展的结构都让阵列天线设计面临着更大的挑战。
作为一种常见的宽带相控阵天线单元，Vivaldi天线由于其卓越的宽频带，宽扫描角特性，并得益于成熟的印制板加工工艺，已广泛应用于各种宽带电子战、雷达、通信系统中。然而，随着研究的深入，传统印制型Vivaldi天线也暴露出一些缺点，例如，介质材料带来的损耗和色散现象；结构强度不足，造价昂贵，难以模块化扩展；印制板结构较为脆弱，耐功率小等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作频带宽、结构强度高、耐功率大的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，实现二维大角度扫描，模块化扩展和批量加工制造。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，由多个立体结构的金属阵列天线单元阵列式排布在金属底板上构成；每个金属阵列天线单元包括左右两个相邻的金属Vivaldi天线板和SMA射频连接器；金属Vivaldi天线板包括同轴馈电孔、矩形匹配空腔、90°弯折槽、宽度渐变槽和辐射指数渐变槽。
进一步地，所述金属Vivaldi天线板设置为尖劈形，两个相邻金属Vivaldi天线板左右拼接成一个喇叭形辐射槽线。
进一步地，所述同轴馈电孔的上方设置90°弯折槽，90°弯折槽的一端与矩形匹配空腔相连，另一端与宽度渐变槽相连；辐射指数渐变槽的底部与宽度渐变槽相连；同轴馈电孔设置在金属Vivaldi天线板的底部。
进一步地，所述SMA射频连接器包括同轴内导体、同轴外导体和介质柱；所述SMA射频连接器除法兰部分外整体插入到同轴馈电孔内，同轴外导体和金属Vivaldi天线板相联通，同轴内导体和90°弯折槽的顶部相联通。
进一步地，所述90°弯折槽将通过同轴馈电孔传输进来的能量输送到辐射指数渐变槽进行弯折处理，使金属Vivaldi天线板与底部SMA射频连接器进行直插连接。
进一步地，所述矩形匹配空腔使得能量向辐射指数渐变槽一端单向传输；宽度渐变槽将90°弯折槽的阻抗进行过渡变换，使90°弯折槽与辐射指数渐变槽的阻抗进行匹配；辐射指数渐变槽将电磁波能量辐射到自由空间中，形成具有设定增益和波束宽度的方向图。
进一步地，所述金属Vivaldi天线板的材料为6061铝板。
进一步地，所述辐射指数渐变槽的曲面为e指数曲线。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)除射频连接器外，其余部分均为金属材料，易于批量加工制造，成本低；
(2)金属Vivaldi天线板可使用螺钉直接固定在金属底板上，无需额外的支撑结构，易于安装；
(3)金属Vivaldi天线板结构强度高，寿命长，损耗低，耐功率大；
(4)金属Vivaldi天线板可单独加工，易于模块化装配，可以根据需要任意扩展阵列规模。
附图说明
图1为本发明超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线的三维结构示意图。
图2为本发明中金属阵列天线单元的结构装配示意图。
图3为本发明中金属阵列天线单元的的正视图。
图4为本发明在Phi＝0°的端口驻波图。
图5为本发明在Phi＝90°的端口驻波图。
图中标号，1.金属阵列天线单元；2.金属Vivaldi天线板；3.金属底板；4.SMA射频连接器；5.同轴馈电孔；6.矩形匹配空腔；7.90°弯折槽；8.宽度渐变槽；9.辐射指数渐变槽；10.同轴内导体；11.同轴外导体；12.介质柱。
具体实施方式
本发明超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，由多个立体结构的金属阵列天线单元1阵列式排布在金属底板3上构成；每个金属阵列天线单元1包括左右两个相邻的金属Vivaldi天线板2和SMA射频连接器4；金属Vivaldi天线板2包括同轴馈电孔5、矩形匹配空腔6、90°弯折槽7、宽度渐变槽8和辐射指数渐变槽9。
进一步地，所述金属Vivaldi天线板2设置为尖劈形，两个相邻金属Vivaldi天线板2左右拼接成一个喇叭形辐射槽线。
进一步地，所述同轴馈电孔5的上方设置90°弯折槽7，90°弯折槽7的一端与矩形匹配空腔6相连，另一端与宽度渐变槽8相连；辐射指数渐变槽9的底部与宽度渐变槽8相连；同轴馈电孔5设置在金属Vivaldi天线板2的底部。
进一步地，所述SMA射频连接器4包括同轴内导体10、同轴外导体11和介质柱12；所述SMA射频连接器4除法兰部分外整体插入到同轴馈电孔5内，同轴外导体11和金属Vivaldi天线板2相联通，同轴内导体10和90°弯折槽7的顶部相联通。
进一步地，所述90°弯折槽7将通过同轴馈电孔5传输进来的能量输送到辐射指数渐变槽9进行弯折处理，使金属Vivaldi天线板2与底部SMA射频连接器4进行直插连接。
进一步地，所述矩形匹配空腔6使得能量向辐射指数渐变槽9一端单向传输；宽度渐变槽8将90°弯折槽7的阻抗进行过渡变换，使90°弯折槽7与辐射指数渐变槽9的阻抗进行匹配；辐射指数渐变槽9将电磁波能量辐射到自由空间中，形成具有设定增益和波束宽度的方向图。
进一步地，所述金属Vivaldi天线板2的材料为6061铝板。
进一步地，所述辐射指数渐变槽9的曲面为e指数曲线。
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、完整的描述，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做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。
实施例
本实施例中，如图1所示，一种全金属Vivaldi阵列天线，由多个金属阵列天线单元1阵列式排布在金属底板3上构成。金属底板3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磁波，有利于提高天线辐射的定向性。
如图2所示，所述的一种金属阵列天线单元1，由左右两个相邻的金属Vivaldi天线板2和SMA射频连接器4构成。
如图3所示，所述的金属Vivaldi天线板2，在同轴馈电孔5的上方设置一90°弯折槽7，90°弯折槽7的一端与矩形匹配空腔6相连，另一端与宽度渐变槽8相连。90°弯折槽的作用是将通过同轴馈电孔5传输进来的能量输送到辐射指数渐变槽9，对其进行弯折处理，方便与底部SMA射频连接器4进行直插连接。矩形匹配空腔6的作用是使得能量向辐射指数渐变槽9一端单向传输，同时进行阻抗匹配。宽度渐变槽8的作用是将90°弯折槽7的阻抗进行过渡变换，使其更好地与辐射指数渐变槽9的阻抗进行匹配。辐射指数渐变槽9的作用是将电磁波能量辐射到自由空间中，形成具有一定增益和波束宽度的方向图。
如图3所示，同轴馈电孔5设置在金属Vivaldi天线板2的底部，方便直插馈电，同时避免了对天线辐射的影响。SMA射频连接器4包括同轴内导体10、同轴外导体11和介质柱12。SMA射频连接器4除法兰部分外整体插入到同轴馈电孔5内，同轴外导体11和金属Vivaldi天线板2相联通，同轴内导体10和90°弯折槽7的顶部相联通。本实施例采用圆柱同轴馈电的方式，减少了微带线或带状线馈电结构中特性阻抗容易随频率的变换而发生改变的现象，易于匹配，也减少了产生的色散现象，同时加工方便，便于安装。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
金属Vivaldi天线板2材料为6061铝板，机械强度和加工性能好，表面电镀后可耐腐蚀和氧化，可靠性高，可单独固定在金属底板上，无需其他支撑固定结构。
辐射指数渐变槽9的曲面为e指数函数曲线，e指数函数的通式为y＝c1*erx+c2，其中c1，c2，r为常数，通过合理的设置，可以在兼顾效率和方向性等指标的情况下扩展频带。一对相邻的金属Vivaldi天线板左右拼接呈喇叭状。电磁波通过辐射指数渐变槽9向自由空间辐射。
特别地，为了适配SMA射频连接器4的直径，金属Vivaldi天线板2的厚度设置为6mm。为了保证结构强度的同时减轻重量，金属Vivaldi的天线板2除同轴馈电孔5、矩形匹配空腔6、90°弯折槽7、宽度渐变槽8和辐射指数渐变槽9的边缘部分外，其余部分铣薄至2mm。
如图4～图5所示，通过仿真测试，在Phi＝0°～90°，Theta＝0°～45°的角度范围内，在0.8GHz～6GHz的频带范围内有源驻波均小于3，符合工程上对天线单元有源驻波的要求。
本发明具有工作频带宽(7.5倍频)，可实现二维大角度(±45°)扫描，结构强度高，易于批量加工制造，易于模块化扩展，耐功率大的优点。
尽管已经出示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 (8)
1.一种超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，由多个立体结构的金属阵列天线单元(1)阵列式排布在金属底板(3)上构成；每个金属阵列天线单元(1)包括左右两个相邻的金属Vivaldi天线板(2)和SMA射频连接器(4)；金属Vivaldi天线板(2)包括同轴馈电孔(5)、矩形匹配空腔(6)、90°弯折槽(7)、宽度渐变槽(8)和辐射指数渐变槽(9)。
2.根据权利要求1所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述金属Vivaldi天线板(2)设置为尖劈形，两个相邻金属Vivaldi天线板(2)左右拼接成一个喇叭形辐射槽线。
3.根据权利要求2所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述同轴馈电孔(5)的上方设置90°弯折槽(7)，90°弯折槽(7)的一端与矩形匹配空腔(6)相连，另一端与宽度渐变槽(8)相连；辐射指数渐变槽(9)的底部与宽度渐变槽(8)相连；同轴馈电孔(5)设置在金属Vivaldi天线板(2)的底部。
4.根据权利要求3所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述SMA射频连接器(4)包括同轴内导体(10)、同轴外导体(11)和介质柱(12)；所述SMA射频连接器(4)除法兰部分外整体插入到同轴馈电孔(5)内，同轴外导体(11)和金属Vivaldi天线板(2)相联通，同轴内导体(10)和90°弯折槽(7)的顶部相联通。
5.根据权利要求3所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述90°弯折槽(7)将通过同轴馈电孔(5)传输进来的能量输送到辐射指数渐变槽(9)进行弯折处理，使金属Vivaldi天线板(2)与底部SMA射频连接器(4)进行直插连接。
6.根据权利要求3所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述矩形匹配空腔(6)使得能量向辐射指数渐变槽(9)一端单向传输；宽度渐变槽(8)将90°弯折槽(7)的阻抗进行过渡变换，使90°弯折槽(7)与辐射指数渐变槽(9)的阻抗进行匹配；辐射指数渐变槽(9)将电磁波能量辐射到自由空间中，形成具有设定增益和波束宽度的方向图。
7.根据权利要求4、5或6所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述金属Vivaldi天线板(2)的材料为6061铝板。
8.根据权利要求4、5或6所述的超宽带宽角扫描全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述辐射指数渐变槽(9)的曲面为e指数曲线。
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