CN112164897A - 一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，包括阵列式设置在金属底板上的若干个中心金属天线单元以及围绕中心金属天线单元设置在金属底板上的边缘金属天线单元，所述中心金属天线单元包括设置在安装板上的水平极化天线板、垂直极化天线板，所述水平极化天线板、垂直极化天线板两两交叉呈十字尖劈形，所述水平极化天线板、垂直极化天线板上均设有射频连接器，用于实现同轴馈电，为了方便馈电同时减少天线板的厚度，天线板中间部位金属结构件向侧面凸起，在凸起部分中心开孔安装射频连接器，形成侧馈结构。本发明具有工作频带宽(3倍频)，可实现二维大角度(±45°)扫描，同时满足多种极化需求，易于批量加工制造，易于模块化扩展的优点。

Description

一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线
技术领域
本发明属于雷达电子战天线技术领域，具体为一种侧馈双极化全金属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，多种极化快速切换以及模块化可扩展的结构需求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，传统印制板型Vivaldi天线也暴露出一些缺点，例如，介质材料带来的损耗色散现象；介质表面波引起的方向图畸变；难以模块化扩展；印制板结构强度低，容易损坏；双极化应用中，两个极化的印制板拼接带来的电连接问题等。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，包括阵列式设置在金属底板上的若干个中心金属天线单元以及围绕中心金属天线单元设置在金属底板上的边缘金属天线单元，所述中心金属天线单元包括设置在安装板上的水平极化天线板、垂直极化天线板，所述水平极化天线板、垂直极化天线板两两交叉呈十字尖劈形，所述水平极化天线板、垂直极化天线板上均设有射频连接器，用于实现同轴馈电。
优选地，相邻两个同极化天线板间形成一个喇叭形辐射渐变缝隙，且两个同极化天线板间下部开槽形成水平方向的馈电缝隙，馈电缝隙一端连接一矩形匹配空腔，另一端弯折后与辐射渐变缝隙相连。
优选地，所述水平极化天线板馈电缝隙下方局部加厚向侧边凸起形成馈电下部凸起，所述馈电下部凸起底部开孔形成同轴馈电孔；所述水平极化天线板馈电缝隙上方局部加厚向侧边凸起形成馈电上部凸起，所述射频连接器插入到同轴馈电孔内形成侧馈结构，同轴外导体与馈电下部凸起相连通，同轴内导体与馈电上部凸起相连通。
优选地，所述辐射渐变缝隙的曲面为e指数曲线。
优选地，所述馈电下部凸起和馈电上部凸起厚度为6mm。
优选地，所述馈电缝隙的宽度设置为2mm，所述辐射渐变缝隙最宽处宽度设置为24mm，辐射渐变缝隙长度为44mm。
优选地，所述水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)厚度为2mm。
优选地，所述中心金属天线单元与边缘金属天线单元通过安装板设置在金属底板上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明除射频连接器外，其余部分均为金属材料，易于批量加工制造，成本低；
(2)本发明中，金属天线单元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)本发明中，金属天线单元可单独加工，易于模块化装配，可根据需要任意扩展阵列规模；
(4)本发明中，金属天线单元结构强度高，寿命长，损耗低，不会出现表面波及谐振带来的方向图畸变及扫描盲点现象；
(5)本发明中，金属天线单元导电性好，双极化应用中电连接稳定可靠；
(6)本发明中天线板采用侧馈结构，天线板厚度不受同轴接头尺寸限制，可以在保证结构强度的前提下尽量做薄，实现了天线的轻量化设计。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的结构装配示意图。
图3为本发明的正视图。
图4为本发明水平极化端口在Phi＝0°平面上扫描时的端口驻波图。
图5为本发明水平极化端口在Phi＝90°平面上扫描时的端口驻波图。
图6为本发明垂直极化端口在Phi＝0°平面上扫描时的端口驻波图。
图7为本发明垂直极化端口在Phi＝90°平面上扫描时的端口驻波图；
图中，1.中心金属天线单元；2.金属底板；3.水平极化天线板；4.垂直极化天线板；5.安装板；6.射频连接器；7.螺钉；8.同轴馈电孔；9.馈电缝隙；10.矩形匹配空腔；11.辐射渐变缝隙；12.边缘金属天线单元；13.馈电上部凸起；14.馈电下部凸起。
具体实施方式
如图1所示，一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，包括按照矩形栅格阵列式设置在金属底板2上的若干个中心金属天线单元1以及围绕中心金属天线单元1设置在金属底板2上的一圈边缘金属天线单元12。金属底板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磁波，有利于提高天线辐射的方向性。
如图2所示，所述中心金属天线单元1包括设置在安装板5上的水平极化天线板3、垂直极化天线板4。其中，水平极化天线板3、垂直极化天线板4和安装板5为整体加工。通过螺钉7将安装板5固定在金属底板2上。所述水平极化天线板3、垂直极化天线板4两两交叉呈十字尖劈形，并采用一体化加工。
进一步的实施例中，所述水平极化天线板3与垂直极化天线板4结构相似，相邻两个同极化天线板间形成一个喇叭形辐射渐变缝隙11，所述水平极化天线板3、垂直极化天线板4上均设有射频连接器6，用于实现同轴馈电。
进一步的实施例中，如图2和图3所示，相邻的两个同极化天线板间下部开槽形成水平方向的馈电缝隙9，馈电缝隙9一端与矩形匹配空腔10相连，另一端弯折后与辐射渐变缝隙11相连。水平极化天线板3馈电缝隙9下方局部加厚向侧边凸起形成馈电下部凸起14，在馈电下部凸起14底部开孔形成同轴馈电孔8；水平方向的馈电缝隙9上方，水平极化天线板3局部加厚向侧边凸起形成馈电上部凸起13。所述射频连接器6插入到同轴馈电孔8内形成侧馈结构。同轴外导体与馈电下部凸起14相连通，同轴内导体与馈电上部凸起13相连通。
具体地，所述辐射渐变缝隙11的曲面为e指数曲线，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，可以在兼顾效率和驻波等指标的情况下扩展频带。
具体地，为了保证结构强度的同时尽量减轻重量，水平极化天线板3、垂直极化天线板4厚度设置为2mm。
具体地,为了方便安装射频连接器，馈电下部凸起14和馈电上部凸起3厚度设置为6mm。
具体地，馈电缝隙9的宽度设置为2mm，辐射缝隙最宽处宽度设置为24mm。辐射缝隙长度为44mm。
进一步的实施例中，所述水平极化天线板3、垂直极化天线板4与安装板5的材料均为金属材料。
进一步的实施例中，所述金属天线单元1的材料为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。
进一步的实施例中，边缘金属天线单元12为板状结构，形状与中心金属天线单元1相似，区别在于，边缘金属天线单元12的一边形状为直线，另一边为尖劈形，与相邻的中心金属天线单元1形成辐射渐变缝隙11。
如图4～图7所示，本实施例通过仿真测试，在Phi＝0°～90°，Theta＝0°～45°的角度范围内，在f1～f2(f2/f1＝3)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。

Claims (9)

1.一种侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，包括阵列式设置在金属底板(2)上的若干个中心金属天线单元(1)以及围绕中心金属天线单元(1)设置在金属底板(2)上的边缘金属天线单元(12)，所述中心金属天线单元(1)包括设置在安装板(5)上的水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)，所述水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)两两交叉呈十字尖劈形，所述水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)上均设有射频连接器(6)，用于实现同轴馈电。
2.根据权利要求1所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，相邻两个同极化天线板间形成一个喇叭形辐射渐变缝隙(11)，且两个同极化天线板间下部开槽形成水平方向的馈电缝隙(9)，馈电缝隙(9)一端连接一矩形匹配空腔(10)，另一端弯折后与辐射渐变缝隙(11)相连。
3.根据权利要求2所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述水平极化天线板(3)馈电缝隙(9)下方局部加厚向侧边凸起形成馈电下部凸起(14)，所述馈电下部凸起(14)底部开孔形成同轴馈电孔(8)；所述水平极化天线板(3)馈电缝隙(9)上方局部加厚向侧边凸起形成馈电上部凸起(13)，所述射频连接器(6)插入到同轴馈电孔(8)内形成侧馈结构，同轴外导体与馈电下部凸起(14)相连通，同轴内导体与馈电上部凸起(13)相连通。
4.根据权利要求2或3所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述辐射渐变缝隙11的曲面为e指数曲线。
5.根据权利要求3所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述馈电下部凸起(14)和馈电上部凸起(13)厚度为6mm。
6.根据权利要求2所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述馈电缝隙(9)的宽度设置为2mm，所述辐射渐变缝隙(11)最宽处宽度设置为24mm，辐射渐变缝隙(11)长度为44mm。
7.根据权利要求1所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)厚度为2mm。
8.根据权利要求1所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述中心金属天线单元(1)通过安装板(5)设置在金属底板(2)上。
9.根据权利要求8所述的侧馈双极化全金属Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述水平极化天线板(3)、垂直极化天线板(4)与安装板(5)的材料均为金属材料。
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