CN203674385U - 高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，该天线包括以下部分：基板、辐射槽线、介质透镜、切比雪夫渐变带状线馈电。本实用新型天线引入相等间距、不同长度的高介电常数的介质条带构成介质透镜，合适地调整介质条带的间距与长度，能改变天线的辐射阻抗，获得好的阻抗匹配，高介电常数的介质透镜能够降低电磁波在槽线处的传播速度，改善天线口径电流分布，使球面波变为近似的平面波，提高天线辐射效率。天线的馈电传输线采用切比雪夫渐变带状线，其在相当宽的频带范围内反射系数较小，具有较为理想的阻抗匹配效果，能够有效增加工作带宽。本实用新型阵列天线具有高增益、宽频带特性，适用于移动通信领域及军事雷达等宽带阵列天线的辐射单元。

Description

高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线

一技术领域

本实用新型涉及一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，该阵列天线广泛应用于微波和毫米波领域，可作为移动通信领域及军事雷达等辐射阵列天线。 

二背景技术

1979年Gibson提出一种按指数规律渐变的槽线天线，即Vivaldi天线，其具有端射辐射、宽频带、高增益、线极化等特点，并且具有剖面低、重量轻、易于制作、便于共形安装、便于和微波电路集成等优点。 

Vivaldi天线一般是由微带、带状线或者同轴等传输线形式将能量引入，通过电磁耦合或介质耦合方式，将馈电传输线与辐射槽线进行能量转换，电磁波通过槽线向自由空间传递，通常在槽线终端采用圆形腔作为短路终端，而微带终端采用扇形支节作为开路终端，以实现整个馈电部分的宽带匹配。 

通常，作为端射天线的Vivaldi天线，通过底端馈电、由较窄的槽线向较宽的槽线方向、以行波方式辐射能量，天线的孔径宽度和天线长度应满足：W≥λ_L/2，2λ_L≤L≤12λ_L，λ_L是最低工作频率时的自由空间波长；但是，当Vivaldi工作在低频时，天线长度小于一个自由空间波长，且槽线的宽度远小于半个工作波长即λ_L/2时，槽线就不会辐射能量，此时的槽线可以作为一种低损耗的传输介质，Vivaldi天线辐射属谐振式，通常增益较低，波束宽且伴有小的波纹。 

为了改善Vivaldi天线在低频时的增益，槽线优化、贴片开槽、超材料等技术被应用于天线设计之中。Peter Ludlow、Vincent Fusco在文献《Variation of Slotline Characteristic Impedance and Wavelength in a Vivaldi Antenna and Their Effect on Radiation Characteristics》通过阶梯逼近方法对槽线的指数曲线参数进行优化，并改变介质基板的介电常数，通过仿真给出指数曲线与天线特征阻抗、槽线与自由空间之间的阻抗匹配和相位差的关系，指出当槽线开口大于λ_L/2时，槽线与自由空间阻抗匹配较好，且高介电常数的介质基板能够增加馈线到自由空间的相位差，减缓波的传播速度，以此获得理想的增益；Khabat Ebnabbasi、Heinrich D.Foltz在《Vivaldi Antenna Taper Design Based on Impedance Matching》中将槽线设计为四分之一波长的切比雪夫阻抗变换段，并通过指数渐变函数和高斯函数逼近切比雪夫曲线，通过优化槽线渐变以达到天线在低频时阻抗匹配。槽线的优化能够有效地改善天线本身与自由空间的阻抗匹配，但天线单元间的互耦影响未能降低。崔铁军等人将渐变各向异性人工零折射率材料运用于天线设计中，在其专利《宽带高增益平板维瓦尔第天线》中，将不同臂长的弯曲曲线置于天线辐射口径，提高天线定向性，提高天线增益，但是波束宽度变窄，不能满足阵列天线单元的扫描要求。 

三实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对Vivaldi天线低频增益较低的问题，设计一种宽频带、高增益，且结构简单的介质透镜Vivaldi天线。 

实现上述目的的具体技术方案如下： 

1、一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，由基板部分、带状线馈电传输线部分、两层槽线金属层部分、介质透镜部分组成。采用两层槽线金属层分置于介质基板上下，由切比雪夫渐变带状线馈电，将双面Vivaldi天线分布在三个平面。天线长度的初始值在2λ_L/2≤L≤2λ_L区间内选取，介质基板的厚度在0.0025λ_H≤h_eff≤0.0028λ_H范围内选取，这里

是介质基板等效厚度。 

2、天线的馈电传输线采用切比雪夫渐变带状线，其在相当宽的频带范围内反射系数较小，具有较为理想的阻抗匹配效果，能够有效增加工作带宽。根据切比雪夫渐变线的阻抗计算公式： 

$Z=\sqrt{Z_{\mathrm{in}}{Z}_l}\exp \left\{\frac{\left|{\mathrm{\Γ}}_0\right|}{\cosh A}\right[A^2\mathrm{\φ}(\frac{2z}{l},A)+u(z-\frac{l}{2})-u(-z-\frac{l}{2})\left]\right\}z\≤l/2,{\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}_0=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{Z_l}{Z_{\mathrm{in}}}\right)$

（Z_in是槽线的输入阻抗，Z_i为自由空间本征阻抗，u(x)是单位阶跃函数），获得各级带状线渐变段的宽度。馈电端由切比雪夫渐变带状线过渡到扇形支节，并通过电磁耦合的方式转换至槽线。 

3、槽线采用合适的指数形式渐变，槽线终端采用圆形腔作为短路终端，而带状线终端采用扇形支节作为开路终端。通过这种方式，可以实现槽线与带状线之间的宽带匹配。 

4、在槽线开口中间引入相等间距、不同长度的高介电常数的介质条带构成介质透镜，介质条带正交排列，各条带的间距为D，条带宽度Wi，长度Li，合适地调整介质条带的间距与长度，能改变天线的辐射阻抗，获得好的阻抗匹配，高介电常数的介质透镜能够降低电磁波在槽线处的传播速度，改善天线口径电流分布，使球面波变为近似的平面波，提高天线辐射效率。 

本实用新型微带天线的有益技术效果体现在下述几个方面： 

1、天线采用切比雪夫渐变带状线，以实现底端馈电端口与槽线之间的良好阻抗匹配，获得更宽的工作频带。 

2、在槽线中间部位加入介质透镜，通过合适地调整高介电常数的介质透镜的介质条带间距与长度，能够降低电磁波在槽线开口处的传播速度，可以在高频时不影响天线辐射，低频时高介电常数的介质透镜能够降低电磁波在槽线处的传播速度，改善天线口径电流分布，使球面波变为近似的平面波，提高天线的辐射效率，在不改变天线驻波和高频特性的同时，改变天线的辐射阻抗，获得好的阻抗匹配，有效提高天线低频增益。 

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。 

四附图说明

图1为本实用新型天线单元的结构全图。 

图2为本实用新型天线单元的馈线示意图。 

图3为实例一的天线阵列的结构示意图。 

图4为实例一的天线端口的驻波曲线。 

图5为实例一的天线阵列增益曲线。 

图6为实例一的天线阵列在中心频点的方位面方向图； 

图7为实例一的天线阵列在中心频点的俯仰面方向图。 

五具体实施方式

本实用新型具体实施方法为： 

参见图1与图2，一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，天线单元采用双层微带天线结构，整个天线单元包括介质基板部分1，槽线辐射部分2，馈电 切比雪夫渐变带状线部分3，槽线辐射部分2中间介质透镜部分4。本实用新型采用以下具体的技术措施： 

1、天线单元的初始参数根据渐变线Vivaldi天线设计准则，天线孔径宽度和天线长度应满足：W≥λ_L/2，2λ_L≤L≤12λ_L，λ_L是最低工作频率时的自由空间波长。当天线工作带宽较宽时，为满足低频为获得较高的增益，天线长度的初始值在λ_L/2≤L≤2λ_L区间内选取，介质基板的厚度在0.0025λ_H≤h_eff≤0.0028λ_H范围内选取,这里

是基板等效厚度； 

2、天线单元辐射槽线按y=C1e^αx+C₂指数形式张开，

p₁(x₁，y₁)和p₂(x₂，y₂)为指数渐变曲线的起点和终点。槽线开口的宽度分别由所设计的工作频段的高、低截止频率决定，通常取槽线开口最宽处（即指数渐变线终点）为低频截止频率所对应的工作波长的1.3倍左右，最窄处宽度（即指数渐变线起点）为高频截止频率所对应的工作波长的2%左右； 

3、为了使天线单元在宽频带内达到良好的阻抗匹配，馈电线采用切比雪夫渐变式的带状线，其在相当宽的频带范围内反射系数较小，具有较为理想的阻抗匹配效果。根据切比雪夫渐变线的阻抗计算公式： 

$Z=\sqrt{Z_{\mathrm{in}}{Z}_l}\exp \left\{\frac{\left|{\mathrm{\Γ}}_0\right|}{\cosh A}\right[A^2\mathrm{\φ}(\frac{2z}{l},A)+u(z-\frac{l}{2})-u(-z-\frac{l}{2})\left]\right\}z\≤l/2,{\left|{\mathrm{\Γ}}_1\right|}_0=\frac{1}{2}\ln \left(\frac{Z_l}{Z_{\mathrm{in}}}\right)$

（Z_in是槽线的输入阻抗，Z_i为自由空间本征阻抗，u(x)是单位阶跃函数），确定渐变带状线的宽度； 

4、在天线单元槽线中间设置介质透镜，透镜采用高介电常介质条带正交排列，各条带的间距为D，条带宽度W_i，长度L_i，合适调整各条带的参数，可以降低低频天线单元驻波和相邻单元间相互耦合，改善低频时天线阵列口径的电流分布，提高阵列在低频时的增益。 

实例1： 

一个工作在C频段的高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线阵列。该天线单元 所有结构形式与图1完全相同，采用切比雪夫渐变带状线馈电，槽线中间的透镜介电常数为10.2，介质基板的介电常数为2.65，厚度h=2mm，天线单元W=52mm，L=102mm。天线阵列结构如图3所示，单元水平间距dx=35mm，垂直间距dy=17mm。 

图4为实例一的各阵元仿真有源驻波曲线，可见在工作频带内有源驻波均小于2，很好地满足了指标要求。 

图5为实例一的天线阵列增益曲线，可见介质透镜明显增加天线低频增益； 

图6、图7为实例一的天线阵列在中心频点的方位面与俯仰面方向图。 

Claims (2)

1.一种高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，包括基板部分，带状线馈电传输线部分，两层槽线金属层部分，介质透镜部分；其特征在于： 

1）、在上下层槽线开口中间引入介质透镜，透镜由相等间距、不同长度的高介电常数的介质条带构成，合适地调整介质条带的间距与长度，能够改变天线的辐射阻抗，以获得好的阻抗匹配，高介电常数的介质透镜能够降低电磁波在槽线处的传播速度，改善天线口径电流分布，使球面波变为近似的平面波，提高天线辐射效率； 

2）、天线的馈电传输线采用切比雪夫渐变带状线，其在相当宽的频带范围内反射系数较小，具有较为理想的阻抗匹配效果，能够有效增加工作带宽。 

2.根据权利要求1所述的高增益宽频带介质透镜Vivaldi天线，其特征在于：槽线中间引入相等间距、不同长度的高介电常数的介质条带构成的介质透镜，选取合适的介质条带的间距与长度，采用切比雪夫渐变带状线作为天线的馈电部分。 

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