CN114006159B - 一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁场与微波技术领域，提供一种可以改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法。通过在天线馈电端一侧构建电流传导结构、电流接地结构，并进行电阻加载将电流传导结构与电流接地结构连接起来，形成对天线反射电流的接地回路，从而改善其工作性能。基于本发明所提供方法可显著吸收对跖Vivaldi天线的反射电流，从而有效降低天线在辐射超宽谱电磁脉冲时的馈电端反射电压，进而可避免反射电压过大导致的超宽谱脉冲源损伤、使用寿命下降等技术风险与问题，并最大程度上保证天线对超宽谱电磁脉冲的辐射效率；同时可减小天线馈电端的二次反射，有效消除辐射场波形拖尾；另外还可一定程度上拓展天线工作频带下限，实现天线小型化。

Description

一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种可以改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法。

背景技术

对跖Vivaldi天线由共面形式的Vivaldi天线演变发展而来，具有工作频带宽、增益高、方向性好、结构简单质量轻便易于加工集成等优点。尽管对跖Vivaldi天线已经广泛应用于各种超宽带领域，例如超宽带通信、雷达、生物探测等，但其仍然存在或面临许多技术问题：

对跖Vivaldi天线的工作频带受限制。对跖Vivaldi天线采用微带线-平行双线结构进行馈电，基本解决了共面Vivaldi天线微带线槽线耦合馈电结构对其工作频带上限频率的限制。但其工作频带下限仍然取决于天线辐射端口的宽度，一般而言，对跖Vivaldi天线辐射端口的宽度约为其工作频带下限频率对应波长的0.5倍。如何改善阻抗匹配、拓展天线工作频带，是对跖Vivaldi天线研究和设计的一个重点。常见的改善方法主要有开槽等。在对跖Vivaldi天线辐射贴片上开槽可以改善天线表面电流分布、延长天线表面电流有效长度，但改善效果并不显著并且会增大天线设计难度和复杂度。

辐射超宽谱电磁脉冲时反射电压过大。同常规的超宽谱电磁脉冲辐射天线一致，对跖Vivaldi天线在辐射超宽谱电磁脉冲时天线馈电端往往存在反射电压，较大的反射电压极有可能对超宽谱脉冲源造成不可逆损伤，进而影响脉冲源使用寿命。而反射电压主要由馈入天线的超宽谱高压脉冲频谱中的直流和部分低频分量构成。如何有效吸收直流和部分低频分量，进而降低天线馈电端反射电压是利用对跖Vivaldi天线辐射超宽谱电磁脉冲时所面临的一个重点难题。

此外，由于脉冲电流在馈电端二次反射的原因，对跖Vivaldi天线在用于辐射超宽谱电磁脉冲或者超宽带时域信号时存在波形拖尾，严重的波形拖尾将大幅增加时域场波形的测量难度。在对跖Vivaldi天线喇叭状开口端进行电阻加载可以降低天线辐射贴片末端的反射，一定程度上消除拖尾，但同时会降低天线的辐射效率。因此如何在不影响天线辐射效率的同时最大程度上消除天线时域辐射场波形的拖尾是目前对跖Vivaldi天线应用于辐射超宽谱电磁脉冲或时域信号时的另一个重点技术问题。

综上所述，有必要研究探索改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，这对于天线的工程实际应用具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，解决对跖Vivaldi天线工作频带受限、对跖Vivaldi天线辐射超宽谱高压脉冲时馈电端反射电压过大容易对基于固态开关器件的超宽谱脉冲源造成不可逆损伤影响脉冲源使用寿命，以及对跖Vivaldi天线辐射超宽带时域脉冲信号时波形拖尾严重的技术问题。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

步骤1、构建电流传导结构

在对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片上分别构建电流传导结构；

上表面电流传导结构由m个平面枝节组合而成，m≥1；每个平面枝节由指数渐变线或椭圆曲线渐变形式以及相应组合构建而成，从起始端到末端宽度逐渐变窄，末端宽度约为贴片电阻宽度的n倍，n≥1；

下表面电流传导结构与上表面电流传导结构形状相同，所处位置关于对跖Vivaldi天线介质基板水平中心轴线上下对称。

各电流传导结构与对应的金属辐射贴片连接，作为天线辐射结构的一部分；对跖Vivaldi天线上、下表面金属辐射贴片其他部分保持不变；各电流传导结构大小不超过天线介质基板边缘；

步骤2、构建电流接地结构

将对跖Vivaldi天线馈电结构微带线接地板的上下两侧，分别向上表面电流传导结构和下表面电流传导结构方向延伸至各电流传导结构末端附近，所延伸的部分构成上侧电流接地结构与下侧电流接地结构，其大小不超过天线介质板边缘；

上侧电流接地结构由平面枝节组合而成，所包含的平面枝节数量与上表面电流传导结构相等，并根据上下位置关系与上表面电流传导结构各平面枝节一一对应；上侧电流接地结构各平面枝节由指数渐变线或椭圆曲线渐变形式以及相应组合构建而成，从起始端到末端宽度逐渐变窄，末端宽度与所对应的上表面电流传导结构各平面枝节末端宽度相等；

下侧电流接地结构与上侧电流接地结构形状相同，所处位置关于对跖Vivaldi天线馈电结构微带线接地板中心轴线上下对称。

步骤3、设置金属过电孔

在上侧电流接地结构各平面枝节末端设置金属过电孔，贯穿对跖Vivaldi天线介质基板，即底面与上侧电流接地结构各平面枝节末端连接，顶面与上表面电流传导结构连接；

各金属过电孔顶面中心与上表面电流传导结构各平面枝节末端之间的距离与贴片电阻长度相当；

为保证良好的电连接，上侧电流接地结构各平面枝节末端可设置多个金属过电孔。

步骤4、进行电阻加载

进行上表面电阻加载，所加载的电阻为贴片电阻，一端与上表面电流传导结构各平面枝节末端连接，另一端与所对应的金属过电孔顶面中心连接，通过金属过电孔与上侧电流接地结构连接，进而形成对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片至下表面馈电结构微带线接地板的电流回路；

上表面电阻加载每个位置的加载电阻的数量、阻值等可根据实际需求进行选取。为保证功率容量的要求，每个位置的电阻加载可通过n个电阻并联进行等效；此时上表面电流传导结构、上侧电流接地结构各平面枝节末端宽度均根据所加载电阻数量而定；

下表面电阻加载可根据实际情况进行取舍。若不进行下表面电阻加载时，将下表面电流传导结构各平面枝节与所对应的下侧电流接地结构各平面枝节末端连通。若进行下表面电阻加载，所加载的电阻一端与下表面电流传导结构各平面枝节末端连接，另一端与所对应的下侧电流接地结构各平面枝节末端连接。当进行下表面电阻加载时，下表面电阻加载的各加载位置与上表面电阻加载位置均关于对跖Vivaldi天线介质基板水平中心轴线上下对称，所加载的电阻数量、阻值等均一一对应相等。

此外，基于本发明所提供的方法，可进一步优化设计，获得天线最佳工作性能。通过数值模拟等方式，对上、下表面电流传导结构以及上、下侧电流接地结构的形状、枝节数量以及构建方式等进行优化设计，并对所加载的电阻阻值、数量等进行参数扫描优化，以获得最佳的工作性能。

本发明的有效收益如下：

1、本发明提供的方法通过在常规对跖Vivaldi天线上构建电流传导结构、电流接地结构以及进行电阻加载，可以显著吸收对跖Vivaldi天线的反射电流，从而有效降低了天线在辐射超宽谱电磁脉冲时的馈电端反射电压，进而可避免反射电压过大导致的超宽谱脉冲源损伤、使用寿命下降等技术风险与问题，并最大程度上保证了天线对超宽谱电磁脉冲的辐射效率。

2、本发明提供的方法通过电阻加载等方式可以降低天线在辐射超宽谱电磁脉冲时的二次反射即馈电端反射电流，从而可以改善辐射场波形，最大程度上消除辐射场波形的拖尾。

3、本发明提供的方法通过构建与对跖Vivaldi天线等效并联的包含电阻加载的电流接地回路，可以降低等效并联阻抗，实现天线与馈电端的良好阻抗匹配，从而可以拓展天线工作频带，达到天线小型化的目的。

4、本发明所提供的方法主要针对对跖Vivaldi天线辐射贴片一侧的结构进行改造，以此来改善天线的工作性能，不需要额外增大天线尺寸。

5、基于本发明所提供的方法，可以获得一种初始工作性能良好的天线，可以在此基础上进一步优化设计，结合开槽、高介电常数材料、电磁超材料等方式获得更优的天线设计结果。

附图说明

图1为常规的对跖Vivaldi天线；

图2为本发明实施例1对跖Vivaldi天线示意图；

图3为本发明实施例1的上表面电阻加载示意图；

图4为本发明实施例1的下表面电阻加载示意图；

图5为本发明实施例2对跖Vivaldi天线示意图；

图6为本发明实施例2的上、下表面电阻加载示意图；

图7为本发明实施例3对跖Vivaldi天线示意图；

图8为本发明实施例3的上、下表面电阻加载示意图；

其中：1-上表面金属辐射贴片；2-下表面金属辐射贴片；3-介质基板；4-微带线导带；5-微带线接地板；6-平行双线；7-金属过电孔；8-上表面电阻加载；9-下表面电阻加载；11-上表面金属辐射贴片内侧曲线渐变结构；21-下表面金属辐射贴片内侧曲线渐变结构；51-微带线接地板靠近上表面金属辐射贴片一侧的渐变结构；52-微带线接地板靠近下表面金属辐射贴片一侧的渐变结构；12-上表面电流传导结构；22-下表面电流传导结构；53-上侧电流接地结构；54-下侧电流接地结构；(71、72、73)-实施例1的上侧电流接地结构各平面枝节末端的金属过电孔；(81、82、83)-实施例1的上表面电阻加载的各加载电阻；(91、92、93)-实施例1的下表面电阻加载的各加载电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的阐述和说明。

本发明提供的一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，通过构建电流传导结构、电流接地结构，并通过电阻加载将电流传导结构与电流接地结构连接起来，形成对天线反射电流的接地回路，从而改善其工作性能，本发明的设计原理如下。

对跖Vivaldi天线主要由上、下表面金属辐射贴片以及微带线-平行双线馈电结构构成。常规的对跖Vivaldi天线在工作时，馈入天线的电流由微带线-平行双线传输至上、下表面金属辐射贴片，然后电流沿着由上、下表面金属辐射贴片外轮廓线构成的喇叭状开口槽线分布、传播并向外辐射。由于天线阻抗匹配程度较差，因此部分电流在到达天线喇叭状开口末端后产生反射，反射电流将往馈电结构方向传播。到达馈电结构的反射电流一部分会由馈电结构输出，一部分会发生二次反射，二次反射的传输路径及过程与馈电电流一致。特别的，在辐射超宽谱电磁脉冲时，到达馈电结构的反射电流会在馈电端形成较大的反射电压，并且产生的二次反射将继续沿着喇叭状开口槽线传播并向外辐射，造成辐射场波形存在较为严重的拖尾。

当按照本发明提供的一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，在对跖Vivaldi天线上、下表面金属辐射贴片上构建电流传导结构、将馈电结构微带线接地板拓展延伸形成电流接地结构，并通过电阻加载形成反射电流接地回路后，由于电流传导结构指向天线馈电结构，与喇叭状开口方向相反，因此馈入天线的大部分电流仍继续沿着喇叭状开口槽线分布、传播并向外辐射，且所设置的电流传导结构、电阻加载等并不会影响天线的辐射效率。电流在喇叭状开口末端产生反射后，反射电流往馈电结构方向传播，此时电流传导结构将引导并传导部分反射电流经过电阻进行功率消耗，并最终通过电流接地结构进入馈电结构接地板。并且电流传导结构、电流接地结构各平面枝节的宽度均是逐渐变窄的，一定程度上可以降低电流不连续性。

综上所述，通过选取合适的电阻可以显著的吸收反射电流，并且降低二次反射，从而最大程度上降低天线馈电端的反射电压、消除辐射场波形的拖尾，且不影响天线的辐射效率。

此外，从等效电路结构来看，本发明所提供的方法中构建的上表面电流传导结构、上表面电阻加载以及上侧电流接地结构形成了一个电流回路，与对跖Vivaldi天线主体辐射部分等效并联，当选取合适的上表面电阻加载值时，可以降低等效并联阻抗，从而实现与馈电端的良好阻抗匹配，拓展天线工作频带下限，这样一方面从拓展频带的角度，增强了天线对于低频的辐射能力，降低了天线馈电端反射电压，另一方面也可以达到天线小型化的目的。为更好的表达本发明的设计理念，提供了下列三个具体实施例，下面结合附图进行具体的展示和说明。

实施例1

如图2所示为采用本发明所提供方法对如图1所示常规对跖Vivaldi天线进行结构改造并电阻加载的一个实施例。

将如图1所示的常规对跖Vivaldi天线上、下金属辐射贴片1、2的内侧指数渐变线结构11、21构建为如图2所示的上表面电流传导结构12与下表面电流传导结构22。

如图2、3所示，上表面电流传导结构12由3个平面枝节构成，3个平面枝节的轮廓线均为椭圆曲线，起始端为图1中上表面金属辐射贴片1的内侧指数渐变线结构11，从起始端到末端，宽度逐渐变窄，3个枝节末端宽度与单个贴片电阻宽度相当。如图2、3所示，3个平面枝节组成的上表面电流传导结构12外部大小不超过天线介质基板3的上侧边缘。

如图2、4所示，下表面电流传导结构22同样由3个平面枝节组合而成，形状与上表面电流结构12一致，并关于天线介质基板3的水平中心轴线上下对称。

将如图1所示的常规对跖Vivaldi天线馈电结构微带线接地板5的上下两侧51、52进行延伸，如图2所示，分别向上表面电流传导结构12、下表面电流传导结构22延伸，构建获得上侧电流接地结构53与下侧电流接地结构54。

如图2、3所示，上侧电流接地结构53同样由3个平面枝节构成，各平面枝节根据上下位置关系与上表面电流传导结构12的各平面枝节一一对应，在本实施例中，上侧电流接地结构53各平面枝节的外轮廓线也是由椭圆曲线构成，并且起始端至末端的宽度逐渐变窄，各平面枝节末端宽度与所对应的上表面电流传导结构各平面枝节末端宽度一一对应相等。

如图2、4所示，下侧电流接地结构54同样由3个平面枝节组合而成，形状与上侧电流接地结构53相同，并关于天线馈电结构微带线接地板5的水平中心轴线上下对称。

如图2、3所示，在上侧电流接地结构53的各平面枝节末端设置金属过电孔7、71、72、73，所设置的金属过电孔贯穿天线介质基板3，底部与上侧电流接地结构53各平面枝节末端连接，顶部中心与上表面金属辐射贴片1平齐，并且各金属过电孔顶面中心距离上表面电流传导结构12的各平面枝节末端的宽度与贴片电阻长度相当。为保证良好的电连接，可在上侧电流接地结构53各平面枝节末端设置多个金属过电孔。

如图3所示，进行上表面电阻加载。在上表面电流传导结构12各平面枝节与上侧电流接地结构53各平面枝节之间加载电阻81、82、83。所加载电阻均为贴片电阻，电阻一端与上表面电流传导结构12各平面枝节连接，另一端与所对应的金属过电孔71、72、73顶面中心连接，通过金属过电孔与上侧电流接地结构53连接，进而形成对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片1至下表面馈电结构微带线接地板5的电流回路。

如图3所示，在本实施例中，上表面电阻加载81、82、83均只加载1个电阻，因此所对应的上表面电流传导结构12、上侧电流接地结构53各平面枝节末端的宽度约为贴片电阻宽度的1倍。

如图4所示，本实施例还进行了下表面电阻加载91、92、93，各下表面电阻加载的数量、阻值均与上表面电阻加载81、82、83对应相同。

此外如图2所示，通过数值模拟等方式，对上、下表面电流传导结构12、22，以及上、下侧电流接地结构53、54的形状、枝节数量以及构建方式进行优化设计，并对如图3所示的上表面电阻加载81、82、83和下表面电阻加载91、92、93的电阻阻值、数量等进行参数扫描优化，以获得对跖Vivaldi天线最佳的工作性能。

实施例2

如图5所示为采用本发明所提供方法对如图1所示常规对跖Vivaldi天线进行结构改造并电阻加载的一个实施例。

将如图1所示的常规对跖Vivaldi天线上、下表面金属辐射贴片1、2的内侧指数渐变线结构11、21构建为如图5所示的上表面电流传导结构12与下表面电流传导结构22。

如图5所示，上表面电流传导结构12为1个平面枝节，其上侧轮廓线为指数渐变线，下侧轮廓线为椭圆曲线，枝节宽度由起始端至末端逐渐变窄。如图5所示，将馈电结构微带线接地板上侧结构简单改造为上侧电流接地结构53，并在靠近上表面电流传导结构12平面枝节末端附近的位置设置金属过电孔7，金属过电孔7底部与上侧电流接地结构53连接，顶部与上表面电流传导结构12平齐，顶面中心与上表面电流传导结构12平面枝节末端的距离与单个贴片电阻长度相当。

如图5所示，下表面电流传导结构22、下侧电流接地结构54分别与上表面电流传导结构12、上侧电流接地结构53形状相同，并关于天线介质基板3水平中心轴线上下对称。

如图5、6所示，在上表面电流传导结构12与金属过电孔7之间进行上表面电阻加载8，由此，上表面金属辐射贴片1通过电流传导结构12、上表面电阻加载8以及上侧电流接地结构53与天线馈电结构微带线接地板5进行连接，形成电流回路。如图5、6所示，在本实施例中，还进行了下表面电阻加载9。上表面电阻加载8、下表面电阻加载9均只加载了1个贴片电阻，阻值相等。因此上表面电流传导结构12的平面枝节末端宽度约为1个贴片电阻的宽度。

实施例3

如图7所示为采用本发明所提供方法对如图1所示常规对跖Vivaldi天线进行结构改造并电阻加载的一个实施例。

如图1、7所示，采用椭圆曲线代替常规对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片1的内侧指数渐变线结构11，构建获得上表面电流传导结构12与上侧电流接地结构53。同样的，采用相同的椭圆曲线将常规对跖Vivaldi天线下表面金属辐射贴片2的内侧指数渐变线12构建为下表面电流传导结构22与下侧电流接地结构54。如图7所示，上表面电流传导结构12、上侧电流接地结构53所处位置分别与下表面电流传导结构22、下侧电流接地结构54关于天线介质基板3的水平中心轴线上下对称。

如图7所示，上表面电流传导结构12、上侧电流接地结构53均由1个平面枝节构成，各结构平面枝节的末端宽度相等。

如图7、8所示，上侧电流接地结构53末端设置金属过电孔7，过电孔7底部与上侧电流接地结构53连接，顶部与上表面电流传导结构12平齐，顶面中心与上表面的电流传导结构12的平面枝节末端之间的距离与单个贴片电阻长度相当。

如图7、8所示，本实施例中，上表面电阻加载8、下表面电阻加载9均只加载1个电阻，阻值相等。上表面电流传导结构12、上表面电阻加载8以及上侧电流接地结构53共同构成了电流回路，以此降低天线馈电端的反射电压，并减小二次反射，进而消除辐射的超宽谱电磁脉冲波形的拖尾。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建电流传导结构：

在对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片上分别构建电流传导结构；

上表面电流传导结构由m个平面枝节组合而成，m≥1；每个平面枝节由指数渐变线或椭圆曲线渐变形式以及相应组合构建而成，从起始端到末端宽度逐渐变窄，末端宽度约为贴片电阻宽度的n倍，n≥1；

下表面电流传导结构与上表面电流传导结构形状相同，所处位置关于对跖Vivaldi天线介质基板水平中心轴线上下对称；

各电流传导结构与对应的金属辐射贴片连接，作为天线辐射结构的一部分；对跖Vivaldi天线上、下表面金属辐射贴片其他部分保持不变；各电流传导结构大小不超过天线介质基板边缘；

步骤2、构建电流接地结构

将对跖Vivaldi天线馈电结构微带线接地板的两部分，分别向上表面电流传导结构和下表面电流传导结构方向延伸至各电流传导结构末端附近，所延伸的部分构成上侧电流接地结构与下侧电流接地结构，其大小不超过天线介质板边缘；

上侧电流接地结构由平面枝节组合而成，所包含的平面枝节数量与上表面电流传导结构相等，并根据上下位置关系与上表面电流传导结构各平面枝节一一对应；上侧电流接地结构各平面枝节由指数渐变线或椭圆曲线渐变形式以及相应组合构建而成，从起始端到末端宽度逐渐变窄，末端宽度与所对应的上表面电流传导结构各平面枝节末端宽度相等；

下侧电流接地结构与上侧电流接地结构形状相同，所处位置关于对跖Vivaldi天线馈电结构微带线接地板中心轴线对称；

步骤3、设置金属过电孔：

在上侧电流接地结构各平面枝节末端设置金属过电孔，贯穿对跖Vivaldi天线介质基板，即底面与上侧电流接地结构各平面枝节末端连接，顶面与上表面电流传导结构连接；

所述金属过电孔顶面中心与上表面电流传导结构各平面枝节末端之间的距离与贴片电阻长度相当；

步骤4、进行电阻加载：

进行上表面电阻加载，所加载的电阻为贴片电阻，一端与上表面电流传导结构各平面枝节末端连接，另一端与所对应的金属过电孔顶面中心连接，通过金属过电孔与上侧电流接地结构连接，进而形成对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片至下表面馈电结构微带线接地板的电流回路；

下表面电阻加载可根据实际情况进行取舍，若不进行下表面电阻加载，将下表面电流传导结构各平面枝节与所对应的下侧电流接地结构各平面枝节末端连通；若进行下表面电阻加载，所加载的电阻一端与下表面电流传导结构各平面枝节末端连接，另一端与所对应的下侧电流接地结构各平面枝节末端连接。

2.根据权利要求1所述的一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，其特征在于，所述上表面电阻加载每个位置的加载电阻的数量、阻值等可根据实际需求进行选取，为保证功率容量的要求，每个位置的电阻加载可通过n个电阻并联进行等效；此时上表面电流传导结构、上侧电流接地结构各平面枝节末端宽度均根据所加载电阻数量而定。

3.根据权利要求2所述的一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，其特征在于，当进行下表面电阻加载时，所述下表面电阻加载的各加载位置与上表面电阻加载位置均关于对跖Vivaldi天线介质基板水平中心轴线上下对称，所加载的电阻数量、阻值等均一一对应相等。

4.根据权利要求1所述的一种改善对跖Vivaldi天线工作性能的方法，其特征在于，为保证良好的电连接，所述上侧电流接地结构各平面枝节末端能够设置多个金属过电孔。

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