CN114843775A - 新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线及单元设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线及单元设计。通过对影响传统Vivaldi天线辐射性能最重要的辐射臂部分延长外边沿、开递进指数型狭缝以及对槽线进行阶梯阻抗变换等设计获得了一款工作频率为4.7GHz新型棕榈叶型共面Vivaldi天线单元；设计了一款工作频率为4.7GHz、工作带宽为3.54‑5.63GHz、增益为15.6dB、其主极化辐射方向图半功率波束宽度为23°的4×4Vivaldi阵列天线；发明中所有介质基片选用Rogers5880，其相对介电常数为2.2，正损耗角的正切值为0.0009，厚度为1mm。本发明的4×4Vivaldi天线阵列单元结构新颖，在微波频段具有小型化，结构紧凑，增益较高等优势，适用于组成大规模阵列运用于定向性需求较强的通信场景中。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，具体涉及一种小型化棕榈叶型Vivaldi宽带阵列天线设计。
背景技术
在移动通信、医疗检测、以及雷达通信等系统中，仅仅是单个天线有时无法满足系统所需，往往需要多个天线组成阵列来实现高增益以及定向波束的特性，也就是波束可重构天线。对于Vivaldi波束可重构天线阵列，凭借着其宽带和端射特性能满足不同应用场景的需求。一般波束可重构天线阵列尺寸大波束扫描角度较小。所以对于基于Vivaldi天线阵列的小型化具有潜在的研究价值。
Vivaldi天线具备了渐变槽线天线端射、渐变、中等增益等特点。它由薄的介质基片和一侧或者同侧开槽的金属覆层以及背面金属薄层地板构成。当天线的槽线宽度接近波长的区域能够向空间中有效辐射，在不同的频率下，Vivaldi天线的不同部分会辐射，而辐射部分的大小在波长上是恒定的。这样，Vivaldi天线理论上具有无限的工作频率范围，在该范围内具有恒定的波束宽度，作为阵列单元使用时Vivaldi天线阵列具有良好的扫描性能，非常有发展前景。通常使Vivaldi天线小型化的方法有如下几种：采用高介电常数的介质基板、使用超材料加载、不同形状的槽缝加载，辐射臂的曲线优化等等。
采取高介电常数的介质基板和加载超材料(具有特殊性质的人造材料)能够在一定的程度上降低天线的尺寸达到小型化，但是这只是基于介质基板的性质和超材料的结构，并不是完全意义上的天线小型化，而且采取高介电常数的介质基板会带来较高的表面波进而影响辐射性能，同时高介电常数的介质基板的成本较高。加载超材料也会一定程度的增加横向或纵向尺寸，只是相对的小型化。Vivaldi天线的性能主要取决于天线的辐射臂，众多研究学者通过研究辐射臂的特性提出了槽缝加载的改造方式这也是本发明的主要方法，同时对于Vivaldi阵列天线来讲，还需要考虑到不同单元间的互耦。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供了一种用于组成小型化Vivaldi天线阵列的棕榈叶型共面Vivaldi单元天线，解决了传统共面型Vivaldi天线后向电流引起的较大天线旁瓣和后瓣以及尺寸较大的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种小型化的共面Vivaldi二维天线阵列，包含：16个朝z轴放置的单面印刷的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元(1)，单元包括介质基板、单面印刷电路以及与印刷电路异侧的馈电结构(3)；单面印刷电路具有以指数渐变曲线且轴对称的槽线、以指数渐变曲线且轴对称的外边沿槽线、三条以指数渐变曲线变化且轴对称的槽缝结构、挖去矩形且轴对称的单元地结构以及耦合电磁能量的圆形腔结构；馈电结构为沿z轴从下往上微带线的多级阻抗变换馈电枝节；与单元结构垂直的一分十六微带传输线功分馈电网络地板(2)；一分十六微带传输线功分馈电网络为沿y轴从外往里微带线的多级阻抗变换枝节；天线单元与馈电网络输出端口之间相连接的金属探针；
上述技术方案中，进一步地：新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元结构为印刷在介质基板(101)单侧的印刷电路(102)；介质基板(101)的材料为Rogers5880，厚度h为1mm，相对介电常数εr为2.2，介质基板(101)的长度为L，宽度为W。
上述技术方案中，进一步地：指数曲线槽线(1021)的指数曲线满足
其中z为指数曲线的横坐标，y为指数曲线的纵坐标，R1为指数渐变曲线的斜率，C1、C2为常数其值决定了指数曲线槽线的最窄缝隙Ws与最大宽度Wt以及指数曲线槽线的长度Lt。
上述技术方案中，进一步地：指数渐变外边沿槽线(1022)满足
其中z为外边沿槽线的横坐标，y为外边沿槽线的纵坐标，R2为外边沿槽线的斜率，C3、C4为常数其值决定了外边沿曲线的长度L0。
上述技术方案中，进一步地：三条指数渐变槽缝沿z轴从上往下分别为槽缝(1023)、槽缝(1024)、槽缝(1025)分别满足
C5、C6为常数其值决定了槽缝(1023)的长度、R3为槽缝(1023)的斜率；C7、C8为常数其值决定了槽缝(1024)的长度、R4为槽缝(1024)的斜率；C9、C10为常数其值决定了槽缝(1025)的长度、R5为槽缝(1025)的斜率。
上述技术方案中，进一步地：指数渐变曲线槽线初始端与一段长度为Lsl、宽度为Wsl的过渡槽线相连接，指数渐变曲线槽线与过渡槽线宽度的不同；过渡槽线的尾端与直径为R的圆形腔相连。
上述技术方案中，进一步地：在印刷在介质基板单侧的印刷电路(102)的尾部挖去了长度为La、宽度为Wa轴对称两块的矩形金属板结构。
上述技术方案中，进一步地：印刷电路异侧的微带线馈电结构(3)，微带线沿z轴从下往上依次具有两级阻抗变换微带线馈电枝节(302)；其中外侧的第一级阻抗变换微带线馈电枝节(3021)与微带线馈电网络地板(2)的金属探针(301)相连，第一级微带线阻抗变换馈电枝节(3021)的长度为L1、宽度为W1，W1为50欧姆微带线阻抗变换宽度；第二级微带线阻抗变换馈电枝节(3022)的长度为L2-1与L2-2、宽度为W2，W2为77.7欧姆微带线阻抗宽度；L2-1于L2-1长度和为天线中心频率四分之一微带线介质波长；微带线介质波长满足公式：
其中，λ0为真空中的电磁波所对应的波长，εr为介质基板(101)的相对介电常数，λg为在相对介电常数为εr,厚度为h的介质基板上，中心频率所对应的微带线介质波长。
上述技术方案中，进一步地：第二级微带线阻抗变换馈电枝节(3022)末端与半径为R，弧度为50°微带扇形枝节(303)相连；微带扇形枝节(303)起始宽度为W3，其起始端与过渡槽线尾端馈电缝隙相平；其中R为天线工作频率的五分之三微带线介质波长；W3对应阻抗为120欧姆微带线阻抗宽度。
上述技术方案中，进一步地：gap为棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元(1)之间的间隔宽度。
上述技术方案中，进一步地：一分十六微带传输线功分馈电网络(2)由四级微带阻抗变换枝节组成；一分十六微带传输线功分馈电网络(2)分别由厚度h为1mm介质基板(305)和厚度h为1mm介质基板(306)以及夹在之间的金属地(304)构成。
上述技术方案中，进一步地：介质基板(305)和介质基板(306)材料为Rogers5880，厚度h为1mm，相对介电常数为2.2。
上述技术方案中，进一步地：功分馈电网络(2)从y轴由外到里从左到右，分别为第一级微带阻抗变换枝节(201)、第二级微带阻抗变换枝节(202)、第三级微带阻抗变换枝节(203)、第四级微带阻抗变换枝节(204)构成。
上述技术方案中，进一步地：一分十六微带传输线功分馈电网络(2)第一级微带阻抗变换枝节(201)由微带线(2011)与微带线(2012)构成，微带线(2011)对应宽度为50欧姆微带线阻抗宽度，微带线(2012)对应宽度为35.4欧姆微带线阻抗变换宽度和长度为天线中心频率四分之一微带线介质波长。
上述技术方案中，进一步地：一分十六微带传输线功分馈电网络(2)第二级微带阻抗变换枝节(202)由微带线(2021)与微带线(2022)构成，微带线(2021)对应宽度为50欧姆微带线阻抗宽度，微带线(2022)对应宽度为35.4欧姆微带线阻抗变换宽度和长度为天线中心频率四分之一微带线介质波长。
上述技术方案中，进一步地：一分十六微带传输线功分馈电网络(2)第二级微带阻抗变换枝节(203)由微带线(2031)与微带线(2032)构成，微带线(2032)对应宽度为50欧姆微带线阻抗宽度，微带线(2031)对应宽度为35.4欧姆微带线阻抗变换宽度和长度为天线中心频率四分之一微带线介质波长。
上述技术方案中，进一步地：一分十六微带传输线功分馈电网络(2)第二级微带阻抗变换枝节(204)由微带线(2041)与微带线(2042)构成，微带线(2041)对应宽度为50欧姆微带线阻抗宽度，微带线(2042)对应宽度为35.4欧姆微带线阻抗变换宽度和长度为天线中心频率四分之一微带线介质波长。
本发明的优点在于：
1、本发明由于天线使用了三条以指数渐变曲线变化且轴对称的槽缝结构，给天线引入了更高的设计自由度；
2、本发明由于天线使用了指数渐变曲线且轴对称的外边沿槽线，构建了新型的辐射结构，实现了小型化；
3、本发明由于天线指数渐变曲线槽线与过渡槽线宽度的不同实现了槽线的阻抗变换，提高了阻抗带宽；
4、本发明的微带线功分馈电网络采取了两层结构设计，分别为上层介质基板与下层介质基板以及中间金属地，降低了单元天线与馈电网络之间的影响；
5、本发明的阵列天线大尺寸金属地板抑制了天线的后向辐射；
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列透视图；
图2为本发明天线阵列一分十六功分网络透视图
图3为本发明棕榈叶型共面Vivaldi天线单元正视图；
图4为本发明棕榈叶型共面Vivaldi天线单元后视图；
图5为本发明棕榈叶型共面Vivaldi天线单元的端口反射系数曲线图；
图6为本发明新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列反射系数曲线图；
图7为本发明新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列辐射方向图；
图8为本发明新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列增益曲线图。
具体实施方式
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中的附图1-8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1和图2所示，一种新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线及单元，从上而下包括：16个新型棕榈叶型共面Vivaldi天线单元、馈电结构、金属探针、上层介质板、金属地、下层介质板、一分十六微带功分馈电网络。
(如图3所示)所述的新型棕榈叶型共面Vivaldi天线单元结构(1)是由介质基板(101)与印刷在介质基板(101)单侧的印刷电路(102)构成；所述介质基板(101)材料为Roggers5880，厚度为1mm，相对介电常数为2.2，宽度为W，长度为L；印刷电路(102)具有以指数规律渐变的且呈喇叭型对称结构的指数曲线槽线(1021)以及以指数规律渐变的外边沿槽线(1022)；所述指数曲线槽线(1021)最窄端与过渡槽线相连,指数曲线槽线(1021)最窄段宽度为Ws，开口端为Wt；过渡槽线宽度为Wsl，长度为Lsl；所述指数规律渐变的外边沿槽线(1022)长度为L0。
其中，优选地，所述介质基板(101)宽度W为30mm，长度L为50mm，所述指数曲线槽线(1021)最窄端Ws为1.3mm，开口端Wt为25mm，过渡槽线宽度Wsl为0.62mm，长度Lsl为5mm；所述指数规律渐变的外边沿槽线(1022)长度L0为17.5mm。
本发明由于天线指数渐变曲线槽线与过渡槽线宽度的不同实现了槽线的阻抗变换，提高了阻抗带宽。
本发明由于在天线印刷电路两侧边缘设计了以指数规律渐变的外边沿槽线，有效的增加了天线外边沿的电长度，从而展宽了天线的阻抗宽带。
所述印刷电路(102)其两侧设有三条以指数曲线渐变槽缝，槽缝(1023)所对应的频点为5.5GHz左右，槽缝(1024)与槽缝(1025)所所对应的频点为4.8GHz左右，每个槽缝的长度等效于各个频点的四分之一波长。
其中，优选地，所述槽缝(1023)缝隙长度为8.4mm，槽缝(1024)与槽缝(1025)长度为10.3mm。
本发明由于在天线印刷电路两侧采用了在天线印刷电路(102)辐射边缘开出周期型递进的三条矩形狭缝，狭缝长度基于两个不同频点的四分之一介质波长，在理论上表面电流通过的路径刚好等于二分之一波长，使得电流的方向反向个正向电流刚好抵消，起到延长表面电流路径，增加天线的有效长度，减小天线向侧翼辐射的作用。
所述圆形腔与过渡槽线的尾端相连接。
优选地，圆形腔直径R为4.2mm。
所述挖去矩形且轴对称的单元地结构，其能够减弱地板两侧的辐射电流，避免有太大的旁瓣辐射。
优选地，矩形结构长La为8.3mm，宽为5mm。
(如图4所示)馈电结构为沿z轴从下往上微带线的多级阻抗变换馈电枝节(302)，其与扇形微带枝节(303)和金属探针(301)连接，能量通过金属探针馈入微带线。
上述实施实例中，进一步地：所述馈电枝节(302)由第一级微带线阻抗变换馈电枝节(3021)和第二级微带线阻抗变换馈电枝节(3022)组成；所述第一级微带线阻抗变换馈电枝节(3021)对应50欧姆微带线，对应宽度为W1，长度为L1；所述二级微带线阻抗变换馈电枝节(3022)对应77.7欧姆微带线，对应宽度为W2，长度为L2-1和L2-2。
优选地，第一级微带线阻抗变换馈电枝节(3021)宽度W1为3.04mm，长度L1为4mm；第二级微带线阻抗变换馈电枝节(3022)宽度W2为1.45mm，长度L2-1为6mm，长度L2-2为3.6mm。
优选地，微带扇形枝节(303)半径为6mm，弧度为50°。
(如图2所示)功分馈电网络(2)从y轴由外到里从左到右，分别为第一级微带阻抗变换枝节(201)、第二级微带阻抗变换枝节(202)、第三级微带阻抗变换枝节(203)、第四级微带阻抗变换枝节(204)构成。
优选地，其对应宽度为50欧姆微带线均为3.04mm，其对应35.4欧姆微带线阻抗变换部分宽度均为5.2mm，长度为10.8mm。
如图5给出了工作频段内榈叶型共面Vivaldi天线单元的端口反射系数曲线图，可以看出其在工作频点4.7GHz时匹配良好。
如图6给出了工作频段内棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列反射系数曲线图，可以看出其在工作频段内，阻抗带宽符合要求。
如图7给出了工作频点4.7GHz下，新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列辐射方向图，在其摆设方向即z轴方向上增益为15.6dB，具有良好的波束定向功能。
如图8给出了工作频点下，新型棕榈叶型共面Vivaldi天线4×4阵列其主极化辐射方向图半功率波束宽度为23°，较窄波束具备良好的定向功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线及单元设计，其特征从上到下在于，
16个朝z轴放置的单面印刷的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元。
馈电结构，由微带传输线和扇形耦合枝节构成，用于连接棕榈叶型共面Vivaldi天线单元结构和金属探针，实现电磁能量的传输。
圆形腔结构，用于调节耦合电磁能量的馈入。
金属探针，为圆柱形导体，用于连接馈电结构和一分十六微带馈电网络输出端。
上层介质基板，用于连接棕榈叶型共面Vivaldi天线单元。
中间层金属地板，用于抑制天线单元的后向辐射。
底层介质基板，用于一分十六微带传输线功分馈电网络的布局，提供电磁能量。
2.根据权利要求1所述的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元(1)，其特征在于：所述的介质基板(101)采用Rogers5880，且相对介电常数为2.2，正损耗角的正切值为0.0009；所述印刷电路(102)具有以指数渐变曲线且轴对称的槽线(1021)、长度为17.5mm的指数渐变曲线且轴对称的外边沿槽线(1022)、长度为8.4mm的且轴对称槽缝(1023)缝隙，长度为10.3mm且轴对称的槽缝(1024)与槽缝(1025)。
3.根据权利要求1所述的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元(1)，其特征在于天线指数渐变曲线槽线(1021)与过渡槽线宽度的不同实现了槽线的阻抗变换，提高了阻抗带宽，所述指数曲线槽线(1021)最窄端Ws为1.3mm，过渡槽线宽度Wsl为0.62mm。
4.根据权利要求1所述的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线单元(1)，其特征在于：挖去矩形且轴对称的单元地结构，其能够减弱地板两侧的辐射电流，避免有太大的旁瓣辐射，矩形结构长La为8.3mm，宽为5mm。
5.根据权利要求1所述的一分十六微带传输线功分馈电网络，其特征在于：采取了两层结构设计，分别为上层介质基板(306)与下层介质基板(305)以及中间金属地(304)，降低了单元天线与馈电网络之间的影响。
6.根据权利要求1所述的中间层金属地板(304)，其特征在于：大尺寸金属地板抑制了天线的后向辐射。
7.根据权利要求1所述的新型棕榈叶型共面Vivaldi阵列天线，其特征在于：所述天线阵列工作频率点为4.7GHz，其仿真-10dB阻抗匹配带宽达2.1GHz，增益为15.6dB，其主极化辐射方向图半功率波束宽度为23°的4×4Vivaldi阵列天线。
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