CN117613570B - 一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，包括同轴馈电端口、金属安装板、第一Vivaldi天线子单元和第二Vivaldi天线子单元，第一Vivaldi天线子单元和第二Vivaldi天线子单元结构、材质完全相同，两个Vivaldi天线子单元呈十字交叉放置在金属安装板上，同轴馈电端口位于整个全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的中心位置，一端与金属安装板连接，另一端同时与两个Vivaldi天线子单元连接。本发明采用两个沿中轴线旋转90度对称的Vivaldi单元作为辐射结构交叉连接，可以获得超宽带特性，并且天线结构更加紧凑。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元。
背景技术
Vivaldi天线由于其特定的渐变槽线结构，使其能够拥有很宽的阻抗带宽，因此在宽频谱系统中被广泛采用。为了提高不同极化方向信号的捕获能力，工程应用中通常采用斜45度极化辐射的相控阵天线，相比于双极化天线阵，可有效降低相控阵系统的成本。
在现有天线研究报道中，通常有两种技术手段可实现天线45度斜极化辐射的能力。一是在水平极化或垂直极化天线阵口径前端加载45度斜极化器，利用电磁波在不同偏转角度极化栅间的渐次偏转实现极化方向的偏转。该方法被广泛应用工程之中，但会造成系统体积增大、散热设计复杂等问题，从而限制相控阵天线系统的功率容量。二是通过改变线极化天线的摆放方式，使天线与水平面成45度夹角，从而使得天线具备斜45度辐射特性。然而，由于单元之间的耦合作用，第二种方法会导致阵列天线的有源驻波系数骤升，很难采用此方法设计出几个倍频的45度斜极化阵列天线。为解决这一难题，申请号为202011325746.1的专利设计了一种斜45度极化辐射宽带瓦片式相控阵天线，申请号为202210170726.4的专利设计出了一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线。这两种天线都采用偶极子作为辐射单元，并且需要一分二的功分器为每个单元进行等幅度同相位馈电，电路设计和组装加工都比较复杂，因此稳定性较差。此外，上述两种天线都是介质板型45度斜极化天线，耐功率较小。
发明内容
本发明提出了一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，以解决了全金属Vivaldi阵列天线难以实现45度斜极化辐射的难题。
实现本发明的技术解决方案为：一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，包括同轴馈电端口、金属安装板、第一Vivaldi天线子单元和第二Vivaldi天线子单元，第一Vivaldi天线子单元和第二Vivaldi天线子单元结构、材质完全相同，两个Vivaldi天线子单元呈十字交叉放置在金属安装板上，同轴馈电端口位于整个全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的中心位置，一端与金属安装板连接，另一端同时与两个Vivaldi天线子单元连接。
所述Vivaldi天线子单元采用金属板，沿金属板纵向中轴线的两侧为Vivaldi开口轮廓线，Vivaldi开口轮廓线的上端开口宽度为Wva，Vivaldi开口轮廓线的下端开口宽度为Wvb，Vivaldi开口轮廓线的高度为ha；弧形开口开始的位置到金属安装板上表面的距离为hb，弧形开口与Vivaldi天线子单元自身底端的L形槽线的竖向线槽之间通过斜面相连通，L形槽线的纵向高度为hl，L形槽线距离中轴线的水平距离为pl，L形槽线的纵向宽度为wl，L形槽线的横向槽线的上表面到金属安装板的上表面距离为hf；Vivaldi天线子单元上设有一个矩形反射腔，所述矩形反射腔与L形槽线的横向槽线的末端连通，且矩形反射腔和L形槽线位于Vivaldi天线子单元的中轴线两侧，矩形反射腔靠近中轴线的边到中轴线的距离为pr，矩形反射腔的高度为hr，矩形反射腔的宽度为wr；同轴馈电端口的内导体与Vivaldi天线子单元上的L形槽线的横向槽线的上表面相连，外导体与金属安装板相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(a)本发明通过对两个垂直交叉的Vivaldi天线子单元底部同时馈电，解决了全金属Vivaldi阵列天线难以实现45度斜极化辐射的难题。
(b)本发明采用全金属作为Vivaldi阵列天线单元的材质，可以实现高功率输入，解决了介质型Vivaldi天线难以承受高功率输入的难题。
(c)本发明采用两个沿中轴线旋转90度对称的Vivaldi单元作为辐射结构交叉连接，可以获得超宽带特性，并且天线结构更加紧凑。
附图说明
图1是一个全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的立体图。
图2是全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的主视图。
图3是全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的左视图。
图4是全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的远区辐射电场示意图。
图5是一个由8×8全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元组成的阵列天线立体图。
图6是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内垂直面扫描时的有源驻波特性。
图7是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内斜45°扫描时的有源驻波特性。
图8是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内水平面扫描时的有源驻波特性。
图9是具体实施例在2GHz频点水平面0°-60°扫描状态下的辐射方向图。
图10是具体实施例在4GHz频点水平面0°-60°扫描状态下的辐射方向图。
图11是具体实施例在6GHz频点水平面0°-60°扫描状态下的辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)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，在本发明中如涉及“第一”、“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。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。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在本发明中的具体含义。
另外，本发明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指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1、图2和图3，所述全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元包括两个Vivaldi天线子单元，其中第一Vivaldi天线子单元1和第二Vivaldi天线子单元2完全相同，Vivaldi天线子单元的厚度为t；中轴线位于Vivaldi天线子单元1和Vivaldi天线子单元2的交叉处。
所述Vivaldi天线子单元采用金属板，沿金属板纵向中轴线的两侧为Vivaldi开口轮廓线5，Vivaldi开口轮廓线5的上端开口宽度为Wva，Vivaldi开口轮廓线5的下端开口宽度为Wvb，Vivaldi开口轮廓线5的高度为ha；弧形开口开始的位置到金属安装板4上表面的距离为hb，弧形开口与Vivaldi天线子单元自身底端的L形槽线7的竖向线槽之间通过斜面相连通，L形槽线7的纵向高度为hl，L形槽线7距离中轴线的水平距离为pl，L形槽线7的纵向宽度为wl，L形槽线7的横向槽线的上表面到金属安装板的上表面距离为hf；Vivaldi天线子单元上设有一个矩形反射腔6，所述矩形反射腔6与L形槽线7的横向槽线的末端连通，且矩形反射腔6和L形槽线7位于Vivaldi天线子单元的中轴线两侧，矩形反射腔6靠近中轴线的边到中轴线的距离为pr，矩形反射腔6的高度为hr，矩形反射腔6的宽度为wr；同轴馈电端口3的内导体与Vivaldi天线子单元上的L形槽线7的横向槽线的上表面相连，外导体与金属安装板4相连。
进一步的实施例中，全金属Vivaldi天线子单元1和Vivaldi天线子单元2的交叉处位于单元的中心位置，两个Vivaldi天线子单元沿中轴线呈旋转90度对称。
进一步的实施例中，阵列天线单元为铜、铝或钢金属。
进一步的实施例中，Vivaldi开口轮廓线5满足的e指数函数的通式为：
z＝±(aebx+c)
其中a，b，c是常数，通过软件优化，可以获得良好的带宽性能。
结合图5，一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，通过将M×N个天线单元按照矩阵形式排列进而构成天线阵面，M、N为正整数。
结合图6至图11，所述天线单元能在倍频的阻抗带宽内正常工作，且其在水平面、斜45°面和垂直面实现±60°波束扫描，天线的单元尺寸仅为0.5倍高频波长。
本项目的主要发明点在于：
提出了相邻的一对正交Vivaldi天线子单元1与Vivaldi天线子单元2连接在一起，同轴馈电端同时对Vivaldi天线子单元1和Vivaldi天线子单元2馈电；
这样做的好处是：
(1)、全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元馈电端口无需功分器，结构紧凑。
(2)、两个全金属Vivaldi单元共用同一馈电端口，实现对两天线单元等幅度等相位馈电，实现天线单元的斜45°极化辐射。
(3)、全金属45度斜极化阵列天线单元使得天线能承受高功率输入。
实施例
参见图1至图3，所述全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元包括两个相互垂直的Vivaldi天线子单元，Vivaldi天线子单元1和Vivaldi天线子单元2的交叉处位于单元的中心位置，中轴线位于Vivaldi天线子单元1和Vivaldi天线子单元2的交叉处；两个Vivaldi天线子单元沿中轴线呈旋转90度对称，确保以等幅同相信号激励两天线单元进而形成斜45度极化辐射；Vivaldi天线子单元的厚度为t，示例性的，t＝1.5mm。
所述Vivaldi天线子单元采用金属板，沿金属板纵向中轴线的两侧为Vivaldi开口轮廓线5，Vivaldi开口轮廓线5的上端开口宽度为Wva，Vivaldi开口轮廓线5的下端开口宽度为Wvb，Vivaldi开口轮廓线5的高度为ha；弧形开口开始的位置到金属安装板4上表面的距离为hb，弧形开口与Vivaldi天线子单元自身底端的L形槽线7的竖向线槽之间通过斜面相连通，L形槽线7的纵向高度为hl，L形槽线7距离中轴线的水平距离为pl，L形槽线7的纵向宽度为wl，L形槽线7的横向槽线的上表面到金属安装板的上表面距离为hf；Vivaldi天线子单元上设有一个矩形反射腔6，所述矩形反射腔6与L形槽线7的横向槽线的末端连通，且矩形反射腔6和L形槽线7位于Vivaldi天线子单元的中轴线两侧，矩形反射腔6靠近中轴线的边到中轴线的距离为pr，矩形反射腔6的高度为hr，矩形反射腔6的宽度为wr；同轴馈电端口3的内导体与Vivaldi天线子单元上的L形槽线7的横向槽线的上表面相连，外导体与金属安装板4相连。
示例性的，参见图3，Wva＝10.75mm，Wvb＝2.5mm，h＝25mm，hb＝25mm，ha＝12.5mm，wl＝0.8mm，pl＝2.6mm，hf＝2mm，pr＝1mm，wr＝8mm，hr＝14mm。
Vivaldi开口轮廓线5满足的e指数函数的通式为：
z＝±(aebx+c)
示例性的，参数分别为a＝7.71mm，b＝20，c＝-10.22mm。
参见图4给出了天线单元远区矢量电场方向图，可见电场方向与水平面构成45°倾角，形成斜45°极化辐射。
参见图5，一种超宽带45度斜极化阵列天线，包括M×N个呈矩阵形式排列的天线单元，单元边长为Lc；示例性的，8×8矩阵形式排列的超宽带45度斜极化阵列天线，Lc＝25mm。
参见图6，是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内方位角90°面俯仰角0°-60°扫描时的驻波特性。可见，按照具体实施例设计的超宽带45度斜极化阵列天线在2GHz至6GHz频带范围内0°-50°扫描时有源驻波比小于2.2。参见图7，是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内方位角45°面俯仰角0°-60°扫描时的驻波特性。可见，按照具体实施例设计的超宽带45度斜极化阵列天线在2GHz至6GHz频带范围内0°-50°扫描时有源驻波比小于3.2。参见图8，是具体实施例中天线单元于主从周期边界下在2GHz至6GHz频带内方位角90°面俯仰角0°-60°扫描时的驻波特性。可见，按照具体实施例设计的超宽带45度斜极化阵列天线在2GHz至6GHz频带范围内0°-50°扫描时有源驻波比小于2.2。
如图9～图11所示，给出了该实施方案2GHz、4GHz、6GHz三个典型频点在E面扫描时的辐射方向图。可见，按照具体实施例设计的超宽带45度斜极化阵列天线的波束扫描均匀，方向图增益随频率升高而增加，同一频率下方向图增益随波束指向角变大而降低。
本实施例中均是采用基于有限元法的三维电磁仿真HFSS对图1描述的周期单元、图5描述的8×8有限大面阵进行仿真模拟。此外，基于图1描述的周期单元，针对实际应用需要，可将该无限大阵列扩展至任何符合实际的有限大阵列。
本发明涉及瓦片式、斜45°极化、宽频带，适用于微波、毫米波等雷达、电子对抗和通信系统中，适合要求斜极化、宽频带以及小型化的电子平台。
综上所述，本发明全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，耐功率高，结构简单紧凑，便于实现，能够实现超宽带45度斜极化辐射。
Claims (3)
1.一种全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，包括同轴馈电端口(3)、金属安装板(4)、第一Vivaldi天线子单元(1)和第二Vivaldi天线子单元(2)，其特征在于：第一Vivaldi天线子单元(1)和第二Vivaldi天线子单元(2)结构、材质完全相同，两个Vivaldi天线子单元呈十字交叉放置在金属安装板(4)上，同轴馈电端口(3)位于整个全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的中心位置，一端与金属安装板(4)连接，另一端同时与两个Vivaldi天线子单元连接；
所述Vivaldi天线子单元采用金属板，沿金属板纵向中轴线的两侧为Vivaldi开口轮廓线(5)，Vivaldi开口轮廓线(5)的上端开口宽度为Wva，Vivaldi开口轮廓线(5)的下端开口宽度为Wvb，Vivaldi开口轮廓线(5)的高度为ha；Vivaldi槽线开口开始的位置到金属安装板(4)上表面的距离为hb，Vivaldi槽线开口与Vivaldi天线子单元自身底端的L形槽线(7)的竖向线槽之间通过斜面相连通，L形槽线(7)的纵向高度为hl，L形槽线(7)距离中轴线的水平距离为pl，L形槽线(7)的纵向宽度为wl，L形槽线(7)的横向槽线的上表面到金属安装板(4)的上表面距离为hf；Vivaldi天线子单元上设有一个反射腔(6)，所述反射腔(6)与L形槽线(7)的横向槽线的末端连通，且反射腔(6)和L形槽线(7)位于Vivaldi天线子单元的中轴线两侧，反射腔(6)靠近中轴线的边到中轴线的距离为pr，反射腔(6)的高度为hr，反射腔(6)的宽度为wr；同轴馈电端口(3)的内导体与Vivaldi天线子单元上的L形槽线(7)的横向槽线的上表面相连，外导体与金属安装板(4)相连；
Vivaldi槽线开口均为e指数函数曲线，且呈喇叭状，开口向上；
Vivaldi槽线开口满足的e指数函数z的通式为：
z＝±(aebx+c)
其中，a、b、c是常数，x表示横坐标；
从Vivaldi开口轮廓线(5)的下端开口开始，至L形槽线(7)和反射腔(6)连接处采用渐变曲面，以改善所述全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的驻波特性；反射腔(6)的形状对所述的全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元电磁辐射性能影响较小，反射腔(6)为矩形反射腔或扇形反射腔。
2.根据权利要求1所述的全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，其特征在于：两个Vivaldi天线子单元的交叉处位于全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元的中心位置，两个Vivaldi天线子单元沿中轴线呈旋转90度对称，且交叉处的起始点位于Vivaldi天线子单元的斜面上，终点位于L形槽线(7)的横向槽线的上表面。
3.根据权利要求1所述的全金属超宽带45度斜极化阵列天线单元，其特征在于：Vivaldi天线子单元为铜、铝或钢。
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| CN117613570A (zh) | 2024-02-27 |
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Legal Events
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