CN113506977B - 一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线，所述天线包括：圆柱形柔性介质基板；设置在所述柔性介质基板的内表面上的金属贴片；以及设置在所述柔性介质基板的外表面上的馈电网络；所述金属贴片包括基于所述柔性介质基板的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔。本发明的天线具有工作频带宽、增益高、成本低和结构简单等优点。

Description

一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带高增益共形 Vivaldi端射天线。
背景技术
Vivaldi天线，即指数锥削槽天线，是一种非周期、端射式、线极化、渐变行波天线，有较好的高斯脉冲响应，工作频带较宽、增益高、辐射性能较好，并且体积小、易于制作、且适合与固体器件集成一体，无论是作为单个天线使用还是作为相控阵天线的辐射单元，都非常适合。因而Vivaldi天线广泛的应用于宽带或超宽带相控阵雷达，用于完成多目标、多功能的任务，同时相控阵雷达也可以作为ESM、ECM电子对抗和通信等用途，使其成为共用口径的阵列天线系统。
一般传统的Vivaldi天线主要用于平面天线阵列。Vivaldi天线阵的谐振频率由其口径宽度决定，多单元的Vivaldi天线阵列导致其难以小型化。现有技术实现的Vivaldi天线难以实现高增益，尤其在较低频段表现不佳。为了解决这些问题，常规的Vivaldi天线阵列普遍使用特定结构来提高 Vivaldi天线阵列的小型化和增益，如规则的缝隙边缘结构、弧形缝隙、介质透镜等。然而，这些方法会导致Vivaldi天线阵的结构复杂，尺寸大，这在现代无线系统中是不可取的。因此，实现小型化的高增益Vivaldi天线阵仍然是一个挑战。
因此，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线，旨在解决现有技术的Vivaldi天线难以实现高增益，在较低频段表现不佳，且难以实现小型化的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列，其中，所述天线阵列包括：圆柱形柔性介质基板；设置在所述柔性介质基板的内表面上的金属贴片；以及设置在所述柔性介质基板的外表面上的馈电网络；
所述金属贴片包括基于所述柔性介质基板的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；
所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔。
在一种实现方式中，所述馈电网络包括T型阻抗匹配微带线以及分别设置在所述T型阻抗匹配微带线两端上的扇形金属枝节结构。
在一种实现方式中，所述第一金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线与所述第二金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线形状相同，均为渐变形槽线；两个所述渐变形槽线的底端连接处形成所述圆形谐振腔。
在一种实现方式中，所述渐变形槽线呈指数型渐变，所述渐变型槽线以所述柔性介质基板上与所述喇叭状开口的开口方向相反的底边中心为原点。
在一种实现方式中，所述柔性介质基板的尺寸为235.6*230.0mm2，厚度为0.24～0.28mm，介电常数为3.1。
在一种实现方式中，所述金属贴片高度为220～240mm，长度为117.8mm。
在一种实现方式中，所述圆形谐振腔的直径为4～8mm。
在一种实现方式中，所述馈电网络为一个一分二的等幅同相馈电网络。
在一种实现方式中，所述T型阻抗匹配微带线包括第一枝节结构与第二枝节结构，所述第二枝节结构与所述第一枝节结构的中心位置连接，且与所述第二枝节结构垂直，所述扇形金属枝节结构位于所述第一枝节结构的两端。
在一种实现方式中，所述扇形金属枝节结构的扇形半径为9.90mm，扇形开口为90°。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种超宽带高增益共形Vivaldi 端射天线，所述天线包括：圆柱形柔性介质基板；设置在所述柔性介质基板的内表面上的金属贴片；以及设置在所述柔性介质基板的外表面上的馈电网络；所述金属贴片包括基于所述柔性介质基板的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔。本发明的Vivaldi天线的工作频段为3.06-9.5GHz，增益范围为8.81-15.16dBi，具有工作频带宽、增益高、成本低、结构简单的优点。
附图说明
图1为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的立体结构示意图。
图2为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的立体结构爆炸示意图。
图3为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的天线单元示意图。
图4为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的馈电网络示意图。
图5为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的驻波比仿真结果示意图。
图6为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的反射系数S11 仿真示意图。
图7为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的增益仿真结果示意图。
图8为本发明超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列分别在3.1GHz、 4.3GHz、6.1GHz、7.9GHz和9.1GHz的E面和H面辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Vivaldi天线，即指数锥削槽天线，是一种非周期、端射式、线极化、渐变行波天线，有较好的高斯脉冲响应，工作频带较宽、增益高、辐射性能较好，并且体积小、易于制作、且适合与固体器件集成一体，无论是作为单个天线使用还是作为相控阵天线的辐射单元，都非常适合。因而 Vivaldi天线广泛的应用于宽带或超宽带相控阵雷达，用于完成多目标、多功能的任务，同时相控阵雷达也可以作为ESM、ECM电子对抗和通信等用途，使其成为共用口径的阵列天线系统。
一般传统的Vivaldi天线主要用于平面天线阵列。Vivaldi天线阵的谐振频率由其口径宽度决定，多单元的Vivaldi天线阵列导致其难以小型化。现有技术实现的Vivaldi天线难以实现高增益，尤其在较低频段表现不佳。为了解决这些问题，常规的Vivaldi天线阵列普遍使用特定结构来提高 Vivaldi天线阵列的小型化和增益，如规则的缝隙边缘结构、弧形缝隙、介质透镜等。然而，这些方法会导致Vivaldi天线阵的结构复杂，尺寸大，这在现代无线系统中是不可取的。因此，实现小型化的高增益Vivaldi天线阵仍然是一个挑战。
为了解决现有技术的问题，本实施例公开了一种超宽带高增益共形 Vivaldi端射天线，如图1和图2中所示，所述天线包括：圆柱形柔性介质基板1；设置在所述柔性介质基板1的内表面上的金属贴片2；以及设置在所述柔性介质基板1的外表面上的馈电网络5。在本实施例中，所述金属贴片2包括基于所述柔性介质基板1的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接，从图1和图2中可以看出，第一金属贴片位于所述柔性介质基板1的左边，所示第二金属贴片位于所述柔性介质基板1的右边。所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔4。在本实施例中，所述馈电网络5是一个一分二的等幅同相馈电网络，并且所述馈电网络5包括T型阻抗匹配微带线6以及分别设置在所述T型阻抗匹配微带线6两端上的扇形金属枝节结构7，为Vivaldi天线馈电。本发明的超宽带高增益共形Vivaldi端射天线，与传统的平面Vivaldi 天线阵列相比，共形设计尺寸小，易于实现小型化，同时保持超宽带、高增益和稳定的端射性能。此外，该天线具有成本低和结构简单等优点，适用于雷达通信和遥感系统。
进一步地，本实施例中的所述第一金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线3与所述第二金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线3形状相同，均为渐变形槽线；两个所述渐变形槽线的底端连接处形成所述圆形谐振腔4，具体如图1中所示。具体地，本实施例中，所述槽线3为该喇叭状开口的外边缘线，该槽线3为渐变槽线，这样才可以形成所述喇叭状开口。由于第一金属贴片和第二金属贴片是相对于柔性介质基板1的中心线对称的，因此呈现的是一种镜像对称的效果，而第一金属贴片和第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，并且如图3中所示，本实施例上用于形成喇叭状开口的的槽线3是渐变形槽线，并且该渐变形槽线是呈指数型渐变，所述渐变型槽线以所述柔性介质基板上与所述喇叭状开口的开口方向相反的底边中心为原点，因此，喇叭状开口是向上开口的。并且在视觉上，本发明的天线的开口就会更大，实现更好的增益效果。
本实施例中的柔性介质基板1采用的是易弯曲变形的材料，所述柔性介质基板的尺寸为235.6*230.0mm2，厚度为0.24～0.28mm，本实施例的厚度为0.26mm，介电常数为3.1，可以极大地减小平面Vivaldi天线阵的尺寸。具体地，如图3所示，所述金属贴片2高度为220～240mm，本实施例中的金属贴片2高h为230mm，长l为235.6mm，所述圆形谐振腔4的直径为4～8mm，本实施例中的圆形谐振腔4的直径d为6mm，具体的结构参数如下。
表1
结构参数 l h d l<sub>1</sub> l<sub>2</sub>
数值(mm) 117.8 230 6 58.9 36
结构参数 w<sub>1</sub> w<sub>2</sub> r g
数值(mm) 0.245 0.49 9.9 0.2
在本实施例中，如图4中所示，所述T型阻抗匹配微带线6包括第一枝节结构与第二枝节结构，所述第二枝节结构与所述第一枝节结构的中心位置连接，且与所述第二枝节结构垂直，所述扇形金属枝节结构位于所述第一枝节结构的两端。具体地，所述第一枝节结构的一半为的长度l1为58.9mm，所述第二枝节结构的长度l2为36mm。所述第一枝节结构的的宽度 w1为0.245mm，，所述第二枝节结构的宽度w2为0.49mm。进一步地，本实施例中的所述扇形金属枝节结构7的扇形半径为9.90mm，扇形开口为90°。
进一步地，本实施例还对该天线进行仿真测试，图5是本实施例的超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的电压驻波比仿真结果示意图，从图中可以观察到在3.06-9.5GHz频段内的电压驻波比VSWR均小于2。图6 是本实施例超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列的反射系数S11仿真结果示意图。反射系数主要体现的是天线的回波损耗特征，用于量化分析天线的发射效率，值越大天线的效率越差，小于-10dB时拥有较好的发射效率。从图6可以得出，本实施例提出的Vivaldi天线阵列在3.06-9.5GHz 的阻抗带宽接近102.5％。图7是本实施例提出的超宽带高增益共形Vivaldi 端射天线阵列的增益仿真结果示意图。从图7中可以观察到，在工作频段内，增益基本保持在8.81-15.16dBi范围内，这表明所设计的天线具有较高的增益。图8是本实施例提供的超宽带高增益共形Vivaldi端射天线阵列分别在3.1GHz、4.3GHz、6.1GHz、7.9GHz和9.7GHz的E面和H面辐射方向图。从图中可以观察到，所提出的共形Vivaldi天线阵的辐射方向图具有良好的端射特性，并且辐射方向图在整个工作频段内保持不变，交叉极化较低。综合仿真得到的图5、6、7、以及图8，本申请提出了一种新型的超宽带高增益共形Vivaldi天线阵列，采用两个平衡的Vivaldi天线单元和馈电网络，实现了超宽带和高增益性能。仿真结果表明，在保持结构紧凑的情况下，该共形Vivaldi阵列的工作频段为3.06-9.5GHz(102.5％)，峰值增益可达到15.16dBi。此外，该天线在整个工作频率范围内保持稳定的端射辐射。
基于上述实施例，本发明还可以提供一种超宽带高增益共形Vivaldi 端射天线，所述天线包括：圆柱形柔性介质基板；设置在所述柔性介质基板的内表面上的金属贴片；以及设置在所述柔性介质基板的外表面上的馈电网络；所述金属贴片包括基于所述柔性介质基板的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔。本发明的天线具有工作频带宽、增益高、成本低和结构简单等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种超宽带高增益共形Vivaldi端射天线，其特征在于，所述天线包括：圆柱形柔性介质基板；设置在所述柔性介质基板的内表面上的金属贴片；以及设置在所述柔性介质基板的外表面上的馈电网络；
所述金属贴片包括基于所述柔性介质基板的中心轴线对称设置的第一金属贴片与第二金属贴片，且所述第一金属贴片与所述第二金属贴片连接；
所述第一金属贴片与所述第二金属贴片上均设置有喇叭状开口，所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片的喇叭状开口基于所述中心轴线对称；所述第一金属贴片上的喇叭状开口与所述第二金属贴片上的喇叭状开口的连接处设置有圆形谐振腔；
所述馈电网络包括T型阻抗匹配微带线以及分别设置在所述T型阻抗匹配微带线两端上的扇形金属枝节结构；
所述第一金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线与所述第二金属贴片上用于形成所述喇叭状开口的槽线形状相同，均为渐变形槽线；两个所述渐变形槽线的底端连接处形成所述圆形谐振腔；
所述渐变形槽线呈指数型渐变，所述渐变形 槽线以所述柔性介质基板上与所述喇叭状开口的开口方向相反的底边中心为原点；
所述馈电网络为一个一分二的等幅同相馈电网络；
所述T型阻抗匹配微带线包括第一枝节结构与第二枝节结构，所述第二枝节结构与所述第一枝节结构的中心位置连接，且与所述第一枝节结构垂直，所述扇形金属枝节结构位于所述第一枝节结构的两端；
所述柔性介质基板的尺寸为235.6*230.0mm2，厚度为0.24～0.28mm，介电常数为3.1；所述金属贴片高度为220～240mm，长度为117.8mm；所述圆形谐振腔的直径为4～8mm；所述扇形金属枝节结构的扇形半径为9.90mm，扇形开口为90°。
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