CN113078468B - 具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线 - Google Patents
具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，包括呈正十字交叉连接在一起的两个天线单元，各天线单元均包括介质板、馈电微带线和金属辐射层，金属辐射层上的缝隙结构由圆形槽、矩形槽和锥形渐变槽组成，在锥形渐变槽两侧引入一对倾斜的矩形槽，并在金属辐射层馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽，馈电微带线由多级匹配线和终端扇形结构组成。第二天线单元在金属辐射层添加互补谐振环结构，在金属辐射层底端焊接U型金属贴片。本发明的天线具有双极化特性、单站雷达散射截面小、端口隔离度高、以及双极化等优点，在非入侵式探测、近场暗室测量探头、隐身超宽带通信等方面有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，在非入侵式探测、近场暗室测量探头、隐身超宽带通信等方面有着广阔的应用前景。
背景技术
在无线通信应用中，天线被认为是发射和接收信号的关键部件，其性能显得尤为重要，因为它将直接影响整个系统的性能。因此，对天线电学性能的评估非常重要，这就需要精确高效的测量方法和高精度的表征系统。天线的主要测试环境是微波暗室，主要测试方法分为近场测试和远场测试，而测试的天线探头的性能在整个测试系统有着至关重要的作用，其中，天线的低散射性能是探测天线在近场暗室中应用的一个重要特性。传统的Vivaldi天线以其宽频带、对称辐射和高方向性等特点受到人们的广泛关注，但其极化单一、尺寸较大且散射较高。
发明内容
技术目的：为了满足市场所需要的低散射探头天线，本发明提出了一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，该结构通过两个天线单元十字交叉实现双极化特性，通过在每个天线单元的金属辐射层馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽，以及天线的锥形渐变槽两侧引入一对倾斜的矩形槽来降低雷达散射截面。与同类研究相比，具有单站雷达散射截面小、端口隔离度高、以及双极化等优点，在未来近场暗室的探头特性领域有着重要前景。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：包括大小相同、呈十字交叉连接在一起的第一天线单元和第二天线单元，所述第一天线单元和第二天线单元均包括介质层、分别位于介质层两侧的馈电微带线与金属辐射层；
所述第一天线单元和第二天线单元的金属辐射层均设有缝隙结构，缝隙结构包括由金属辐射层的顶部中心向内延伸、依次相连的锥形渐变槽、圆形槽和矩形槽；且金属辐射层上位于锥形渐变槽两侧均设有外端开口、底端向金属辐射层内部下方倾斜的倾斜矩形槽；
所述第一天线单元和第二天线单元的馈电微带线分别用作超宽带双极化探头天线的端口一和端口二，各馈电微带线均包括多级匹配线和终端扇形结构。
具体地，所述第一天线单元和第二天线单元的金属辐射层的底部两外侧均切割一组对称、形状不规则的角槽。
具体地，所述角槽包括为沿金属辐射层的底部两外侧对称设置的曲线切割而成，曲线包括具有一个公共连接端点且形成一个夹角的第一曲线和第二曲线，夹角的顶点指向锥形渐变槽的中心线方向，第一曲线和第二曲线的质数因子不同。
具体地，所述锥形渐变槽、圆形槽、矩形槽、矩形槽和角槽均为贯穿金属辐射层的镂空对称结构。
具体地，所述第一天线单元上的介质层从顶部中心、由上至下开设第一槽口，第二天线单元上的介质层从顶部中心、由下向上开设第二槽口，第二槽口插入第一槽口，用于将第一天线单元与第二天线单元呈正十字交叉连接在一起。
具体地，所述第二天线单元中，在金属辐射层底部焊接U型金属贴片，用于连接因第二槽口所分裂的金属辐射层。
具体地，所述第二天线单元中的锥形渐变槽两侧，加载一对对称的凹字型互补谐振环。
具体地，所述各馈电微带线中，多级匹配线包括顺序连接且宽度递减的第一匹配线、第二匹配线、第三匹配线和第四匹配线，第一匹配线的自由端与金属辐射层的底边齐平，第二匹配线为L型结构，第四匹配线连接终端扇形结构，扇形结构的弧形面朝向金属辐射层的侧边。
具体地，所述第一天线单元和第二天线单元的外形尺寸均为0.47～0.6λ0×0.4～0.6λ0，λ0为天线在1.7GHz的自由空间波长。
有益效果：本发明提供的一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线与现有技术相比，是一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化Vivaldi天线，是一种比较全面的探头天线。
其优势在于：
(1)本发明的天线由两个大小相同的天线单元十字交叉实现双极化特性，与其他探头天线相比，本发明利用多级匹配线和扇形终端馈电拓展了带宽，该天线可以实现在一个宽频段内(1.7-6GHz)具有双极化特性，同时支持垂直极化端射辐射方向图和水平极化端射辐射方向图，并且此两个馈电端口之间有很好的端口隔离度，两个天线端口的隔离度大于25dB。
(2)本发明通过在每个天线单元的金属辐射层馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽，以及天线的锥形渐变槽两侧引入一对倾斜的矩形槽来降低雷达散射截面，使天线具有低雷达散射特性，雷达散射特性降低至-25dBsm以下。即通过改变天线的金属辐射面形状来引导感应电流，从而降低单站雷达散射截面，使得天线的两个端口的雷达散射截面都低于-25dBsm。
(3)本发明的天线的成本低，可以使用成熟的单层印刷电路板加工工艺制作。
附图说明
图1给出了本发明具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线的结构图；
图2给出了图1中第一天线单元的前视图；
图3给出了图1中第一天线单元的后视图；
图4给出了图1中第一天线单元的左视图；
图5给出了图1中第二天线单元的左视图；
图6给出了图1中第二天线单元的右视图；
图7给出了图1中第二天线单元的前视图；
其中，1–第一天线单元，1a–第一天线单元的金属辐射层，1b–第一天线单元的介质层，1c–第一天线单元的馈电微带线；
2-第二天线单元，2a–第二天线单元的金属辐射层，2b–第二天线单元的介质层，2c–第二天线单元的馈电微带线；
3-第一槽口，4-第二槽口；
5a-第一天线单元的锥形渐变槽，5b-第二天线单元的锥形渐变槽；
6a-第一天线单元的矩形槽，6b-第二天线单元的矩形槽；
7a-第一天线单元的圆形槽，7b-第二天线单元的圆形槽；
8a-第一天线单元的倾斜矩形槽，8b-第二天线单元的倾斜矩形槽；
9a-第一天线单元的角槽，9b-第二天线单元的角槽；
10a-第一天线单元的馈电微带线的多级匹配线，10b-第二天线单元的馈电微带线的多级匹配线；
11a-第一天线单元的馈电微带线的终端扇形结构，11b-第二天线单元的馈电微带线的终端扇形结构；
12-第二天线单元的互补谐振环，13-第二天线单元的U型金属贴片。
图8给出了本发明第一天线单元的辐射金属面的结构图；
图9给出了本发明第一天线单元的介质板的结构图；
图10给出了本发明第一天线单元的馈电微带线的结构图；
图11给出了本发明第二天线单元的辐射金属面的结构图；
图12给出了本发明第二天线单元的辐射金属面上的互补谐振环的结构图；
图13给出了本发明第二天线单元的辐射金属面上的焊接金属贴片的结构体；
图14给出了本发明第二天线单元的介质板的结构图；
图15给出了本发明第二天线单元的馈电微带线的结构图；
图16给出了本发明天线的端口一的仿真和实测反射系数；
图17给出了本发明天线的馈电微带线端口一和馈电微带线端口二的互耦系数；
图18给出了本发明天线的馈电微带线端口二的反射系数；
图19给出了本发明天线的端口一激励时在2GHz、3GHz、4GHz、5GHz的仿真和实测归一化远场辐射方向图；
图20给出了本发明天线的端口二激励时在2GHz、3GHz、4GHz、5GHz的仿真和实测归一化远场辐射方向图；
图21给出了本发明天线在自由空间中馈电微带线端口一激励时的增益随频率变化曲线；
图22给出了本发明天线在自由空间中馈电微带线端口二激励时的增益随频率变化曲线；
图23给出了本发明天线在θ＝0°、x极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面随频率变化曲线；
图24给出了本发明天线在θ＝0°、y极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面随频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明公开了一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，该天线由两个大小相同的第一天线单元1和第二天线单元2十字交叉构成。两个天线单元均包括介质板、分别位于介质板两侧的馈电微带线与金属辐射层，介质板材料选用基于混压树脂的微波高频板、FR4、有机聚合物等。金属辐射层和馈电微带线可为铜、金等金属材料。金属辐射层上设置缝隙结构，缝隙结构由圆形槽线、矩形槽线和锥形渐变槽线组成，并在每个天线单元的金属辐射层馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽，以及在每个天线单元的锥形渐变槽两侧引入一对倾斜的矩形槽；馈电微带线由多级匹配线10和终端扇形结构11组成。
如图1至图4所示，一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，第一天线单元1上的介质层1b的中间的上侧从上到下开设为第一槽口3，第二天线单元2上的介质层2b的中间的下侧从下到上开设为第二槽口4，第二天线单元2通过第二槽口4沿第一槽口3插入第一天线单元1，第一天线单元与第二天线单元呈正十字交叉连接在一起。以第一天线单元1所在的平面为x轴与z轴构成平面，以第二天线单元所在的平面为z轴与y轴构成的平面，z轴垂直于正十字交叉所在的x轴与y轴构成的平面。
如图4所示，第一天线单元1包括介质板1b、位于介质板1b两侧的馈电微带线1c与金属辐射层1a。如图2所示，第一天线单元1的金属辐射层1a在z轴对称轴线上加载缝隙结构，缝隙结构由圆形槽7a、矩形槽6a和锥形渐变槽5a组成，以及在金属辐射层1a底部切割一对对称但形状不规则的角槽9a，并在天线的锥形渐变槽5a两侧引入一对倾斜的倾斜矩形槽8a。如图3所示，第一天线单元1的馈电微带线1c由多级匹配线10a和终端扇形结构11a组成。
如图7所示，第二天线单元2同样包括介质板2b、位于介质板两侧的馈电微带线2c与金属辐射层2a。如图5所示，金属辐射层2a上的缝隙结构由圆形槽7b、矩形槽6b和锥形渐变槽5b组成，并在金属辐射层2a馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽9b，以及在天线单元的锥形渐变槽5b两侧引入一对倾斜的倾斜矩形槽8b。并在矩形槽6b两侧加载一对互补谐振环结构12。在天线底部焊接U型金属贴片13来连接由于第二槽口4所分裂的金属辐射层2a。对于在端口二激励时，开第二槽口4而将第二天线单元2的金属辐射层2a切开，导致第二天线单元在低频部分不匹配，采用在第二天线单元2的底部焊接U型金属贴片13的方法来连接由于第二槽口所分裂的金属辐射层，避免开路。
如图6所示，第二天线单元2的馈电微带线2c由多级匹配线10b和终端扇形结构11b组成。在设计中，为了在良好带宽工作，天线的馈电微带线由多级匹配线和终端扇形结构组成，可以有限减少损耗改善匹配，从而改善低频的匹配来增加带宽。
对于散射模式，采用在每个天线单元的金属辐射层馈线底部切割一对对称但形状不规则的角槽9a、9b，如图2和图5所示。由于底角的辐射电流较弱，切割角槽可以抑制沿天线金属表面流动的感应电流，有助于降低结构模式雷达散射截面，而不影响整个操作带宽内的阻抗匹配。为了进一步降低雷达散射截面，在天线的锥形渐变槽附近引入了一对倾斜矩形槽8a、8b，使感应电流发生偏转，即改变天线的金属辐射面形状来引导感应电流，从而降低单站雷达散射截面。
第二天线单元中，由于开第二槽口4而将第二天线的金属辐射面底部切开导致端口二在θ＝0°、y极化的入射波垂直入射时导致高频部分的雷达散射截面变大，采用添加互补谐振环的结构，增加感应电流的路径来降低高频部分的雷达散射截面。
本发明中，两个天线单元中的馈电微带线均为50欧姆微带线。
如图8至图15所示，本发明的第一天线单元中：
w01、l01分别表示第一天线单元的宽度、长度；
wa1、la1分别表示第一槽口的宽度、长度；
w11、l11、a1分别表示金属辐射层的锥形渐变槽的宽度、长度、指数因子；
w21、l21分别表示金属辐射层的矩形槽的宽度、长度；
R11、lg1分别表示金属辐射层的圆形槽的直径、圆形槽到天线底端的距离；
ws11、ls11、θ11、s11分别表示金属辐射层的倾斜矩形槽的宽度、长度、倾斜度、到天线顶端的距离；
ws21、ls21、b1分别表示金属辐射层的不规则角槽第一段曲线的宽度、长度、指数因子，ws31、ls31、c1分别表示金属辐射层的不规则角槽第二段曲线的宽度、长度、指数因子。
w31、l31分别表示馈电微带线的第一匹配线的宽度、长度；w41、l41分别表示馈电微带线的第二匹配线的宽度、长度；w51、l51分别表示馈电微带线的第三匹配线的宽度、长度，l61表示第三匹配线拐角的长度；w61、l71分别表示馈电微带线的第四匹配线的宽度、长度，θ21、R21分别表示馈电微带线的扇形终端的圆心角度、半径。
本发明的第二天线单元中：
w02、l02分别表示第一天线单元的宽度、长度；
wa2、la2分别表示第一槽口的宽度、长度；
w12、l12、a2分别表示金属辐射层的锥形渐变槽的宽度、长度、指数因子；
w22、l22分别表示金属辐射层的矩形槽的宽度、长度；
R12、lg2分别表示金属辐射层的圆形槽的直径、圆形槽到天线底端的距离；
ws12、ls12、θ12、s12分别表示金属辐射层的倾斜矩形槽的宽度、长度、倾斜度、到天线顶端的距离；
ws22、ls22、b2分别表示金属辐射层的不规则角槽第一段曲线的宽度、长度、质数因子，ws32、ls32、c2分别表示金属辐射层的不规则角槽第二段曲线的宽度、长度、指数因子；两段曲线的指数因子不同，主要是因为考虑到两个极化的天线(第一天线单元和第二天线单元)的电磁环境不是完全一样，所以两个天线底部角槽的质数因子需要优化，使得角槽的尺寸略微不同，使两个极化的天线能获得平衡和最优的散射抑制。
w32、l32分别表示馈电微带线的第一匹配线的宽度、长度；w42、l42分别表示馈电微带线的第二匹配线的宽度、长度；w52、l52分别表示馈电微带线的第三匹配线的宽度、长度，l62表示第三匹配线拐角的长度；w62、l72分别表示馈电微带线的第四匹配线的宽度、长度，θ22、R22分别表示馈电微带线的扇形终端的圆心角度、半径；
wd、wd1、ld1分别表示金属辐射层的互补谐振环的茎宽、宽度、长度，wd2表示金属辐射层的互补谐振环的向内延伸的茎长，ld2表示金属辐射层的互补谐振环的开口段短茎的长度；
wc1、lc1表示金属辐射层的焊接金属贴片的宽度、长度，wd2、ld2表示金属辐射层的焊接金属贴片延伸脚的宽度、长度；
θ3–第二天线单元馈电微带线的扇形终端的倾斜角度。
表1为第一天线单元的结构尺寸示例。第二天线单元尺寸类似。
表1
| w01 | l01 | w11 | l11 | a1 |
| 84mm | 98mm | 80mm | 80mm | 0.03 |
| w21 | l21 | R11 | lg1 | ws11 |
| 1.2mm | 5mm | 6mm | 5mm | 4mm |
| ls11 | θ11 | s11 | ws21 | ls21 |
| 18mm | 49° | 16mm | 12mm | 26mm |
| b1 | ws31 | ls31 | c1 | w31 |
| 0.015 | 8mm | 12mm | 0.02 | 0.83mm |
| l31 | w41 | l41 | w51 | l51 |
| 6mm | 1.45mm | 6mm | 1.8mm | 12mm |
| l61 | w61 | l71 | θ21 | R21 |
| 2.4mm | 2.7mm | 10.6mm | 90° | 5mm |
如图3所示，给出了本发明具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线的仿真和实测反射系数；从结果可以得出，该天线端口一在工作频段为1.7-6GHz，端口二在工作频段为1.8-6GHz，并且在带内两个端口的隔离度均大于24dB。
如图4和图5所示，给出了本发明具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线的端口一和端口二激励时在2GHz、3GHz、4GHz、5GHz的仿真和实测归一化远场辐射方向图；从结果可以得出，天线方向图呈良好的对称性且交叉极化也高于20dB。
如图6所示，给出了本发明具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线在自由空间中的增益随频率变化曲线；其中，a图对应端口一被激励的情形，b图对应端口二被激励的情形，由结果可知，当天线的每个端口被激励时，增益分别为5.1dBi-11.5dBi和5.1dBi-10.8dBi。
如图7所示，给出了本发明一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线的单站雷达散射截面随频率变化曲线，其中，a图为在θ＝0°、x极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面随频率变化曲线，b图在θ＝0°、/>y极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面随频率变化曲线；由图7可知，在θ＝0°、/>x极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面均低于-30dBsm，在θ＝0°、/>y极化的入射波垂直入射的单站雷达散射截面均低于-25dBsm，实测雷达散射截面均有所上升，这是由于环境因素和传输线损耗所造成的。
综上所述，本发明提出的一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线。与同类研究相比，具有低单站雷达散射截面、端口隔离度低、增益高以及双极化等优点，在未来近场暗室的探头特性领域有着重要前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：包括大小相同、呈十字交叉连接在一起的第一天线单元（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）均包括介质层（1b；2b）、分别位于介质层（1b；2b）两侧的馈电微带线（1c；2c）与金属辐射层（1a；2a）；
所述第一天线单元（1）和第二天线单元（2）的金属辐射层（1a；2a）均设有缝隙结构，缝隙结构包括由金属辐射层（1a；2a）的顶部中心向内延伸、依次相连的锥形渐变槽(5a；5b) 、圆形槽（7a；7b）和矩形槽(6a；6b)；且金属辐射层（1a；2a）上位于锥形渐变槽(5a；5b)两侧均设有外端开口、底端向金属辐射层（1a；2a）内部下方倾斜的倾斜矩形槽(8a；8b)；
所述第一天线单元和第二天线单元(2)的馈电微带线(1c，2c)分别用作超宽带双极化探头天线的端口一和端口二，各馈电微带线(1c，2c)均包括多级匹配线(10a；10b)和终端扇形结构(11a；11b)；
所述第一天线单元（1）和第二天线单元（2）的金属辐射层（1a；2a）的底部两外侧均切割一组对称、形状不规则的角槽(9a；9b)；
所述角槽(9a；9b)包括为沿金属辐射层（1a；2a）的底部两外侧对称设置的曲线切割而成，曲线包括具有一个公共连接端点且形成一个夹角的第一曲线和第二曲线，夹角的顶点指向锥形渐变槽(5a；5b)的中心线方向，第一曲线和第二曲线的质数因子不同；
所述锥形渐变槽(5a；5b) 、圆形槽（7a；7b）、矩形槽(6a；6b)、倾斜矩形槽(8a；8b) 和角槽(9a；9b)均为贯穿金属辐射层（1a；2a）的镂空对称结构；
所述第二天线单元（2）中，在金属辐射层(2a)底部焊接U型金属贴片(13)，用于连接因第二槽口(4)所分裂的金属辐射层(2a)。
2.根据权利要求1所述具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：所述第一天线单元（1）上的介质层（1b）从顶部中心、由上至下开设第一槽口（3），第二天线单元（2）上的介质层（2b）从顶部中心、由下向上开设第二槽口(4)，第二槽口（4）插入第一槽口（3），用于将第一天线单元（1）与第二天线单元（2）呈正十字交叉连接在一起。
3.根据权利要求2所述具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：所述第二天线单元（2）中的锥形渐变槽(5b) 两侧，加载一对对称的凹字型互补谐振环(12)。
4.根据权利要求1所述具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：所述各馈电微带线(1c，2c)中，多级匹配线(10a；10b)包括顺序连接且宽度递减的第一匹配线、第二匹配线、第三匹配线和第四匹配线，第一匹配线的自由端与金属辐射层（1a；2a）的底边齐平，第二匹配线为L型结构，第四匹配线连接终端扇形结构(11a；11b)，扇形结构(11a；11b)的弧形面朝向金属辐射层（1a；2a）的侧边。
5.根据权利要求1所述具有低单站雷达散射截面的超宽带双极化探头天线，其特征在于：所述第一天线单元（1）和第二天线单元（2）的外形尺寸均为0.47 ~ 0.6λ0 × 0.4 ~0.6λ0，λ0为天线在1.7 GHz的自由空间波长。
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