CN116598757B - 一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，属于超宽带天线技术领域。本发明所述天线包括介质基板、反对称印刷在基板两侧且侧边经椭圆形修剪的金属辐射臂、微带线转平行双线馈电巴伦、金属地板、位于两金属辐射臂中间的倒三角形金属贴片、位于两金属辐射臂下方的长条形金属贴片和同轴接头。本发明所述天线保持了低剖面，有利于与载体一体化并保持整体低散射特性；加入的两种金属寄生贴片拓展了带宽，实现了小型化，有利于组成阵列实现大角度波束扫描；天线金属面积较小，有利于低散射设计。

Description

一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线
技术领域
本发明属于超宽带天线技术领域，具体涉及一种采用寄生结构加载的对踵维瓦尔第Vivaldi天线。
背景技术
天线，本质是导行电磁波和空间电磁波的转换器，可以发射和接收电磁波。作为雷达系统中重要的组成部分，天线性能的好坏直接决定着雷达探索目标的距离远近、精度高低，随着雷达系统的不断发展，对天线带宽、增益、方向图、极化等性能指标提出了更高的要求。
对于雷达天线，除了要求具备一定的辐射能力，还需要限制其尺寸，如果选用小尺寸天线作为阵元，不仅可以在横向相同面积下扩大阵列规模，还可以在纵向低剖面的情况下与安装平台表面实现共形，因此小型化天线非常适合雷达、通信领域。
对踵Vivaldi天线是一种端射天线，其最大辐射方向与金属辐射臂所在平面平行。由于能量从指数渐变的槽线辐射到自由空间中，电磁波的频率随着槽线宽度由高到低，因此具有很宽的工作带宽，并且增益可观，馈电结构简单，能组成阵列实现大角度波束扫描，上述优点使得对踵Vivaldi天线十分契合雷达天线对于宽带、高增益、波束扫描的要求，但现有的对踵Vivaldi天线剖面高，不利于满足雷达系统的低散射需求。
申请号为201710368111.1，发明名称为“一种基于寄生贴片加载技术的对踵Vivaldi天线”的中国专利申请，公开了一种对踵Vivaldi天线，延长了介质基板长度，在两金属辐射臂之间的辐射槽线区域加入了三个两端削尖的矩形金属贴片，用于提高天线增益和定向性；但该天线由于延长介质基板长度，因此剖面高，不适用于雷达系统。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，在保证低剖面的情况下拓展Vivaldi天线带宽，实现天线小型化，从而满足组成阵列的条件，达到雷达系统中对于宽带、高增益、波束扫描、低散射的要求。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，包括介质基板1、金属辐射臂2、馈电巴伦3、金属地板4、第一金属贴片5、第二金属贴片6和同轴接头7；
介质基板1垂直放置，金属地板4水平放置，介质基板1下边缘与金属地板4接触；金属地板4打孔，孔径大小能够使得同轴接头7穿过；
馈电巴伦3为微带线转平行双线结构，微带线转平行双线结构包括依次连接微带线段301和平行双线段302；微带线段301包括微带线段的带线3011和微带线段的地板3012，平行双线段302包括平行双线段的第一带线3021和平行双线段的第二带线3022；微带线段的带线3011和平行双线段的第一带线3021印刷于介质基板1的正面，宽度一致；微带线段的地板3012和平行双线段的第二带线3022印刷于介质基板1的背面，微带线段的地板3012呈指数渐变至与平行双线段的第二带线3022宽度一致；微带线段的地板3012的下边缘与金属地板4接触；
同轴接头7的内导体穿过金属地板4的通孔与馈电巴伦3中微带线段的带线连接，外导体连接金属地板4；
两个金属辐射臂2印刷在介质基板1的前后表面，关于介质基板1的纵轴呈180°中心旋转对称；两个金属辐射臂2分别由平行双线段302的末端向左上角和右上角延伸，起始端宽度与平行双线段302宽度一致；金属辐射臂2的轮廓呈指数渐变，末端呈直角且与介质基板1的边平行；金属辐射臂2末端的侧边经修剪形成槽口，槽口为单槽或波纹式多槽；
两个第一金属贴片5位于两个金属辐射臂2的中间位置，对称印刷在介质基板1的前后表面；第一金属贴片5呈倒三角形、圆形、半圆形或方形；
四个第二金属贴片6位于金属辐射臂的下方，下边缘与金属地板4之间留有缝隙，侧边与介质基板1的边缘重合，对称印刷在介质基板1的前后表面；第二金属贴片6呈三角形或长条形。
进一步的，金属辐射臂2末端的侧边经椭圆形修剪形成单槽。
进一步的，第一金属贴片5呈倒三角形，底边与介质基板1的上边缘平行并留有缝隙，两条侧边可进行弧状修剪。
进一步的，第二金属贴片6呈长条形，上边缘进行指数渐变修剪。
进一步的，介质基板1选用高分子材料、陶瓷、金属氧化物或泡沫。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述天线引入两种金属寄生贴片工作，使得带宽接近三倍频，与未加入寄生贴片的标准对踵Vivaldi天线相比，相对带宽增加了25.9%，拓展了带宽；（2）本发明所述天线尺寸小，剖面低，实现了小型化，有利于与载体表面共形并保持整体低散射特性；宽度窄，有利于作为单元天线组成阵列实现大角度波束扫描；（3）本发明所述天线的金属面积仅为介质基板面积的34%，天线金属面积较小，有利于低散射设计。
附图说明
图1为本发明所述对踵Vivaldi天线的整体结构示意图；
图2为本发明所述对踵Vivaldi天线的正面透视图；
图3为本发明所述对踵Vivaldi天线的背面透视图；
图4为本发明所述对踵Vivaldi天线的左视图；
图5为本发明所述对踵Vivaldi天线第一寄生贴片为圆形的替代方案结构示意图；
图6为本发明所述对踵Vivaldi天线第一寄生贴片为半圆形的替代方案结构示意图；
图7为本发明所述对踵Vivaldi天线第二寄生贴片为三角形的替代方案结构示意图；
图8为实施例所述采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线不同寄生贴片的驻波对比结果图；
图9为实施例所述采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线不同高度长条形寄生贴片的驻波对比结果图；
图10为实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵的结构示意图；
图11为实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵各单元的有源驻波结果图；
图12为实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵0.6f 0GHz时不同扫描角度的方向图；
图13为实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵f 0GHz时不同扫描角度的方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，其整体结构示意图如图1所示，正面透视图如图2所示，背面透视图如图3所示，左视图如图4所示，包括介质基板1、金属辐射臂2、馈电巴伦3、金属地板4、第一金属贴片5、第二金属贴片6和同轴接头7。
介质基板1垂直放置，金属地板4水平放置，介质基板1下边缘与金属地板4接触；金属地板4打孔，孔径大小能够使得同轴接头7穿过；本实施例中，同轴接头7可以根据频段选择N型、SMA或2.92等各种规格。
馈电巴伦3为微带线转平行双线结构，微带线转平行双线结构包括依次连接微带线段301和平行双线段302；微带线段301包括微带线段的带线3011和微带线段的地板3012，平行双线段302包括平行双线段的第一带线3021和平行双线段的第二带线3022；微带线段的带线3011和平行双线段的第一带线3021印刷于介质基板1的正面，宽度一致；微带线段的地板3012和平行双线段的第二带线3022印刷于介质基板1的背面，微带线段的地板3012呈指数渐变至与平行双线段的第二带线3022宽度一致；微带线段的地板3012的下边缘与金属地板4接触。
同轴接头7的内导体穿过金属地板4的通孔与馈电巴伦3中微带线段的带线连接，外导体连接金属地板4。
两个金属辐射臂2印刷在介质基板1的前后表面，关于介质基板1的纵轴呈180°中心旋转对称；两个金属辐射臂2分别由平行双线段的末端向左上角和右上角延伸，起始端宽度与平行双线段宽度一致；金属辐射臂的轮廓呈指数渐变，末端呈直角，与介质基板1的边平行，侧边经修剪形成槽口，槽口为单槽或波纹式多槽，减小单元之间的耦合，便于组成E面线阵；本实施例中，侧边经椭圆形修剪形成单槽。
两个第一金属贴片5位于两个金属辐射臂2的中间位置，对称印刷在介质基板1的前后表面，呈倒三角形、圆形、半圆形或方形等形状。本实施例中，第一金属贴片5呈倒三角形，底边与介质基板1的上边缘平行并留有缝隙，两条侧边可进行弧状修剪，曲线可为指数、圆形、多项式等多种形式，在金属辐射臂2的指数形槽口间与金属辐射臂2的实现近距离下的能量耦合。
四个第二金属贴片6位于金属辐射臂的下方，下边缘与金属地板4之间留有缝隙，侧边与介质基板1的边缘重合，对称印刷在介质基板1的前后表面；第二金属贴片6呈三角形或长条形等形状；本实施例中，第二金属贴片6呈长条形，上边缘进行指数渐变修剪，与金属辐射臂2实现能量耦合。
对踵Vivaldi天线剖面高，不利于满足雷达系统的低散射需求；若要降低对踵Vivaldi天线的剖面，则天线带宽严重收窄；本实施例引入两种寄生贴片，在降低天线剖面的情形下扩展带宽。第一金属贴片5和第二金属贴片6拓展带宽的效果不同，位于金属辐射臂2的指数形槽口间的第一金属贴片5可拓展天线高频带宽；位于金属辐射臂2下方的第二金属贴片6可以拓展天线低频带宽。
介质基板1选用高分子材料、陶瓷、金属氧化物或泡沫等。
一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线阵列，以上述采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线作为单元天线，沿介质基板方向进行一维或二维组阵，实现波束扫描能力，相邻单元天线的第二金属贴片6紧密贴合；二维组阵采用矩阵布阵或三角布阵，三角布阵能够增大扫描角度。
图5-图7为本实施例所述对踵Vivaldi天线的替代方案，其中图5的第一寄生贴片为圆形，图6的第一寄生贴片为半圆形，图7的第二寄生贴片为三角形。
本实施例所述天线加入两种寄生贴片，引入两个耦合电容后可拓展天线工作频带，完成天线小型化设计。本实施例所述天线的带宽拓展到0.596f 0~1.700f 0GHz，f 0为天线设计频率；本实施例所述天线尺寸小，宽度仅为工作频带最大波长λ L 的30%；剖面低，高度仅为工作频带最大波长λ L 的29.4%；金属面积小，仅为介质基板面积的35.6%，方便组成阵列应用到低散射领域。
图8为本实施例所述采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线、仅加入倒三角形寄生贴片的对踵Vivaldi天线、原对踵Vivaldi天线的驻波对比结果图。以驻波比小于2.4为标准，采用两种寄生贴片的对踵Vivaldi天线工作带宽为0.596f 0~1.700f 0GHz；仅采用第一寄生贴片的对踵Vivaldi天线工作带宽为0.735f 0~1.681f 0GHz；原对踵Vivaldi天线的工作带宽为0.720f 0~1.489f 0GHz。
图9为本实施例所述采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线不同高度长条形寄生贴片的驻波对比结果图。随着第二金属贴片高度的增加，其上端与金属辐射臂下沿距离减小，能量耦合变强，天线带宽往低频拓展。
图10是本实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵的结构示意图。
图11是本实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵各单元的有源驻波结果图。天线工作带宽0.532f 0~1.653f 0GHz，有源驻波比小于3。
图12是本实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵0.6f 0GHz时不同扫描角度的方向图。天线0°扫描最大增益10.72dBi，45°扫描最大增益8.76dBi。
图13是本实施例采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线组1×8线阵f 0GHz时不同扫描角度的方向图。天线0°扫描最大增益11.17dBi，45°扫描最大增益10.64dBi。
综上所述，本发明提出了采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，主要结构包含介质基板、金属辐射臂、金属地板、金属寄生贴片、微带线转平行双线馈电巴伦、同轴接头。天线工作带宽0.596f 0~1.700f 0GHz，引入的寄生贴片使相对带宽增加了25.9%。天线尺寸小，利于组成阵列实现波束扫描；剖面低，有利于与安装平台表面共形，可应用于宽带雷达、通信领域。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，其特征在于，包括介质基板(1)、金属辐射臂(2)、馈电巴伦(3)、金属地板(4)、第一金属贴片(5)、第二金属贴片(6)和同轴接头(7)；
介质基板(1)垂直放置，金属地板(4)水平放置，介质基板(1)下边缘与金属地板(4)接触；金属地板(4)打孔，孔径大小能够使得同轴接头(7)穿过；
馈电巴伦(3)为微带线转平行双线结构，微带线转平行双线结构包括依次连接微带线段(301)和平行双线段(302)；微带线段(301)包括微带线段的带线(3011)和微带线段的地板(3012)，平行双线段(302)包括平行双线段的第一带线(3021)和平行双线段的第二带线(3022)；微带线段的带线(3011)和平行双线段的第一带线(3021)印刷于介质基板(1)的正面，宽度一致；微带线段的地板(3012)和平行双线段的第二带线(3022)印刷于介质基板(1)的背面，微带线段的地板(3012)呈指数渐变至与平行双线段的第二带线(3022)宽度一致；微带线段的地板(3012)的下边缘与金属地板(4)接触；
同轴接头(7)的内导体穿过金属地板(4)的通孔与馈电巴伦(3)中微带线段的带线(3011)连接，外导体连接金属地板(4)；
两个金属辐射臂(2)印刷在介质基板(1)的前后表面，关于介质基板(1)的纵轴呈180°中心旋转对称；两个金属辐射臂(2)分别由平行双线段(302)的末端向左上角和右上角延伸，起始端宽度与平行双线段(302)宽度一致；金属辐射臂(2)的轮廓呈指数渐变，末端呈直角且与介质基板(1)的边平行；金属辐射臂(2)末端的侧边经修剪形成槽口，槽口为单槽或波纹式多槽；
两个第一金属贴片(5)位于两个金属辐射臂(2)的中间位置，对称印刷在介质基板(1)的前后表面，拓展天线高频带宽；第一金属贴片(5)呈倒三角形，底边与介质基板(1)的上边缘平行并留有缝隙，两条侧边可进行弧状修剪，曲线为指数、圆形或多项式，在金属辐射臂(2)的指数形槽口间与金属辐射臂(2)实现近距离下的能量耦合；
四个第二金属贴片(6)位于金属辐射臂的下方，下边缘与金属地板(4)之间留有缝隙，侧边与介质基板(1)的边缘重合，对称印刷在介质基板(1)的前后表面；第二金属贴片(6)呈三角形或长条形。
2.根据权利要求1所述的采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，其特征在于，金属辐射臂(2)末端的侧边经椭圆形修剪形成单槽。
3.根据权利要求1所述的采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，其特征在于，第二金属贴片(6)呈长条形，上边缘进行指数渐变修剪。
4.根据权利要求1所述的采用寄生结构加载的对踵Vivaldi天线，其特征在于，介质基板(1)选用高分子材料、陶瓷、金属氧化物或泡沫。
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一种小面积馈电共面Vivaldi天线;白红燕;《电子元件与材料》;正文第3页左栏第1段-第4页左栏第1段，图5 *
低截止频率多倍频程高增益对跖Vivaldi天线;申婉婷;《微波学报》;正文第1页左栏第1段-第4页右栏第2段，图1 *

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CN116598757A (zh) 2023-08-15

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