CN111490342B

CN111490342B - 一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线

Info

Publication number: CN111490342B
Application number: CN202010335398.XA
Authority: CN
Inventors: 屈世伟; 肖林; 唐伟; 冯鹏雨; 鲁森林; 杨仕文
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2040-04-24
Also published as: CN111490342A

Abstract

本发明公开了一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，属于雷达技术，特别是无线通信技术领域。本发明将超宽带双极化Vivaldi相控阵天线单元的基本原理与基于收发天线形式的透镜单元相结合，设计了一种超宽带双极化Vivaldi透镜天线单元。该单元能显著增加传统透镜单元的工作带宽，微带移相线能很好地补偿不同频率下，位于焦点的馈源天线到透镜天线阵面上不同位置的空间相位延迟，使得所提出的超宽带双极化Vivaldi透镜天线的工作带宽相比于传统透镜而言大幅提升。此外，所设计的透镜天线还具有轻质量、强抗震能力、高增益等优点。

Description

一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线

技术领域

本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线。

背景技术

随着现代卫星通信、雷达探测、射电天文、微波成像等军用和民用领域的飞速发展，天线作为系统中接收和发射信号的关键器件受到了越来越多的重视，对天线辐射性能的要求也越来越高，不仅需要具备超宽的工作频带，还需要在整个频带内保持稳定的高增益辐射方向图。超宽带高增益天线的设计现已成为国内外天线研究领域的研究热点，在实际工程应用上的需求日益增加。实现高增益天线的方法一般可以归为两类：一是基于天线阵列理论，通过独立控制阵列中每个辐射单元的幅值和相位来实现目标方向上最大辐射的叠加，尽管相控阵天线具有快速灵活的电扫描和波束赋形的能力，但是过多的T/R组件造成了难以承受的高成本，此外，高频段时复杂的馈电网络会引入过高的传输损耗，导致整体效率下降；二是基于光学射线追踪原理，通过天线表面的几何曲率将馈源的辐射的等效球面波转换成平面波，实现高增益辐射方向图，主要形式是抛物面天线和传统介质透镜天线。这类口径天线具有宽频带、高增益、高功率容量、结构简单等优点，但低频时体积巨大且笨重，高频时几何外形的制造工差要求高，与此同时，依靠机械扫描的方式难以实现快速灵活的波束指向。

结合阵列天线理论和光学射线追踪法可以实现兼具平面结构和高增益辐射特性的口径天线，主要形式是反射阵天线和平面透镜天线。相比于传统的抛物面天线和介质透镜天线，反射阵和平面透镜阵面的剖面大幅降低，可通过成熟的PCB或LTCC工艺加工实现，更容易拓展到毫米波乃至太赫兹波段；通过优化阵面单元的幅相分布能轻易实现波束赋形，另外，平面结构也更容易与系统集成。而相较于反射阵天线，平面透镜天线避免了馈源遮挡的问题，在实现波束扫描上更具优势。然而，尽管平面透镜天线拥有上述诸多优点，但其固有的窄带特性限制了其在超宽带高增益领域的应用。造成窄带宽的原因主要有两点：一是阵面上透镜单元的工作频带窄；二是不同频率下，从馈源到口径面上各单元的不同空间路径导致的不同空间相位延迟。因此，扩展这类天线的带宽需同时解决好上述两个难题。

Vivaldi天线是一种典型的超宽带端射行波天线，电磁波沿指数渐变槽传播，在超宽频带内都有着稳定的输入阻抗变化，其优势在于是易加工，低成本，辐射特性优良，由Vivaldi天线单元组成的相控阵天线已广泛应用于超宽带通信系统、雷达探测，射电天文等领域。本发明人在深入研究超宽带Vivaldi相控阵天线的基本原理和基于收发天线形式的透镜单元的设计理念后，将两者相结合，提出了一种新型的基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜单元。本发明基于该单元设计了一种超宽带双极化Vivaldi透镜天线，极大地扩展了平面透镜天线的工作带宽。所设计的透镜天线具有轻质量、强抗震能力、超宽带、高增益等优点，可应用于超宽带雷达和无线通信系统。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述导致平面透镜天线带宽过窄的两个原因，将超宽带双极化Vivaldi相控阵天线单元的设计应用到基于收发天线形式的透镜单元中，提出一种超宽带双极化Vivaldi透镜单元，用以解决平面透镜天线的窄带缺陷，以此设计了一种超宽带双极化Vivaldi透镜天线。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，该透镜天线包括：馈源天线、透镜阵面；其中透镜阵面包含有多个朝向一致阵列排布的透镜天线单元，各透镜天线单元包括：第一介质基板、第二介质基板、第一金属长条地板、第二金属长条地板；所述第一介质基板、第二介质基板的板面为矩形，板面垂直，长边相互接触；第一金属长条地板、第二金属长条地板的板面与第一介质基板、第二介质基板的板面垂直，第一金属长条地板从第一介质基板中部穿过，第二金属长条地板从第二介质基板中部穿过，第一金属长条地板和第二金属长条地板形成层叠结构；所述第一介质基板、第二介质基板的板面结构完全相同，都包括一上一下两个相对的Vivaldi天线，Vivaldi天线包括正面和背面，正面包括：两条指数渐变槽、圆形槽线，背面包括馈电微带片；第一介质基板、第二介质基板的板面形成上下对称的结构，背面的一上一下两个馈电微带片之间采用微带移相线连接，微带移相线连接呈方波状；所述相邻透镜天线单元的第一介质基板连通为一整块介质基板，第二介质基板连通为一整块介质基板，相邻透镜天线单元中Vivaldi天线的指数渐变槽起始端电连接，第一金属长条地板连通为一整条地板，第二金属长条地板连通为一整条地板。

进一步的，所述第一介质基板上部设置竖直的切槽，切槽延伸对应的下部的背表面设置金属条带，金属条带中均匀排布着多个金属通孔；第二介质基板的下部设置竖直的切槽，切槽延伸对应的上部的背表面设置金属条带，金属条带中均匀排布着多个金属通孔；第一介质基板上部的切槽和第二介质基板下部的切向相互配合，用于使第一介质基板、第二介质基板对插卡合。

进一步的，所述透镜天线单元背面的方波状微带移相线每段折线的长度随透镜天线单元在透镜天线阵面的位置不同而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差。

进一步的，所述第一金属长条地板或第二金属长条地板为金属板状结构或金属线网状结构，金属线网状结构的金属线间距不超过λ/10，其中λ为单元工作的最高频率。

本发明的有益效果是：将超宽带双极化Vivaldi相控阵天线单元的基本原理与基于收发天线形式的透镜单元相结合，设计了一种超宽带双极化Vivaldi透镜天线单元。该单元能显著增加传统透镜单元的工作带宽，微带移相线能很好地补偿不同频率下，位于焦点的馈源天线到透镜天线阵面上不同位置的空间相位延迟，使得所提出的超宽带双极化Vivaldi透镜天线的工作带宽相比于传统透镜而言大幅提升。此外，所设计的透镜天线还具有轻质量、强抗震能力、高增益等优点。

附图说明

图1为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线的整体结构示意图。

图2为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元的三维结构示意图。

图3为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元第一个极化的正面视图。

图4为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元第一个极化的背面视图。

图5为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元第二个极化的背面视图。

图6为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元第二个极化的正面视图。

图7为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元的上下交错相互垂直的金属长条地板替换成钢线的三维结构示意图。

图8为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元在四个典型频率(5，8，12和16GHz)下的传输幅值随微带移相线总长度变化的曲线图。

图9为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线单元在四个典型频率(5，8，12和16GHz)下的传输相位随微带移相线总长度变化的曲线图。

图10为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在5GHz时E面主极化与交叉极化辐射方向图。

图11为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在5GHz时H面主极化与交叉极化辐射方向图。

图12为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在8GHz时E面主极化与交叉极化辐射方向图。

图13为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在8GHz时H面主极化与交叉极化辐射方向图。

图14为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在12GHz时E面主极化与交叉极化辐射方向图。

图15为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在12GHz时H面主极化与交叉极化辐射方向图。

图16为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在16GHz时E面主极化与交叉极化辐射方向图。

图17为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线工作在16GHz时H面主极化与交叉极化辐射方向图。

图18为具体实施方案中所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线的峰值增益随频率变化的曲线图。

图中：101为包括多个双极化Vivaldi透镜单元的透镜阵面，102为馈源喇叭天线，103为第一介质基板，104为指数渐变槽,105为微带线转槽线馈电结构的槽线部分，包括一个一小段窄槽线和一个圆形枝节,106为第一金属长条地板,107为第二介质基板,108为微带线转槽线馈电结构的微带线部分，包括一段微带线和扇形枝节,109为微带移相线,110为第二金属长条地板,111为第一介质基板的切槽,112为过孔，113为第一介质基板的金属条带，114为第二介质基板的金属条带，115为第二介质基板的切槽，116为第一钢丝，117为第二钢丝。

具体实施方案

本发明技术方案为一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，所述透镜天线包括：超宽带双极化Vivaldi透镜阵面和放置在透镜阵面焦点处的馈源天线，所述透镜阵面包括：阵列分布于金属长条地板上的多个透镜天线单元；所述透镜天线单元为栅格状结构，垂直于金属长条地板，且透镜天线单元的上半部分与下半部分基本相同；所述透镜天线单元的上半部分结构包括：切槽的介质基板，指数渐变槽，微带线转槽线馈电结构，微带移相线，金属长条地板，过孔和金属条带；所述两块介质基板通过切槽位置垂直对插，形成栅格状结构；所述指数渐变槽印刷在介质基板正面，作为天线辐射体，在超宽频带内具有稳定的辐射特性；所述微带线转槽线馈电结构是一种超宽带馈电结构，能为Vivaldi天线提供稳定的输入阻抗，其槽线部分与指数渐变槽的窄端相连，印刷在介质基板正面，其微带线部分印刷在介质基板背面；所述微带移相线与上下两部分微带线转槽线馈电结构的微带线部分相连接，印刷在介质基板背面，使得接收天线单元接收到的电磁能量能够传递到发射天线单元；所述两个金属长条地板相互垂直，位置上下错开，分别穿过两块介质基板，作为双极化单元中两个极化的地板；所述过孔将印刷在介质基板背面的金属条带与印刷在介质基板正面的金属覆层相连通；所述印刷在其中一块介质基板的金属条带位于另一块介质基板的切槽位置，并与该切槽介质基板上槽边缘处的金属相连；所述天线结构中微带移相线每段折线的长度随透镜天线单元在透镜天线阵面的位置不同而变化，用以补偿位于焦点的馈源天线到透镜天线阵面上不同位置的空间相位差。

因而本发明技术方案为：一种新型的基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，如图1所示，所述透镜天线包括：透镜阵面和放置在透镜阵面焦点处的馈源天线，所述透镜阵面包括阵列分布于金属长条地板上的多个透镜天线单元；如图2所示，所述透镜天线单元为栅格状结构，垂直于金属长条地板，且透镜天线单元的上半部分与下半部分结构基本相同；所述透镜天线单元的上半部分结构包括：切槽的介质基板，指数渐变槽，微带线转槽线馈电结构，微带移相线，金属长条地板，过孔和金属条带；

下面结合图2至图7对本发明进行详细说明。

所述两块介质基板分别对应两个极化，并通过切槽位置垂直对插；所述指数渐变槽印刷在介质基板正面；所述微带线转槽线馈电结构的槽线部分与指数渐变槽的窄端相连，印刷在介质基板正面；所述微带线转槽线馈电结构的微带线部分印刷在介质基板背面；所述微带移相线与上下两部分微带线转槽线馈电结构的微带线部分相连，印刷在介质基板背面；所述两个金属长条地板相互垂直，位置上下错开，分别穿过两块介质基板；所述过孔将印刷在介质基板正面的金属与印刷在介质基板背面的金属条带连通；所述印刷在介质基板背面的金属条带位于另一块介质基板的切槽位置，并与切槽介质基板上槽边缘处的金属相连。所述下半部分结构与上半部分结构基本相同。所述馈源天线为喇叭天线、超宽带相控阵天线、Vivaldi天线、介质棒天线、加脊喇叭天线或对数周期天线。所述指数渐变槽是天线辐射体，在超宽频带内具有稳定的辐射特性。所述两块介质基板切槽对插的位置需要保持电连接,避免引起工作频带内的谐振。所述微带线转槽线馈电结构是一种超宽带馈电结构，能为Vivaldi天线提供稳定的输入阻抗。所述完整微带移相线将上下两部分微带线转槽线馈电结构的微带线部分相连通，使得电磁能量从接收天线单元传递到发射天线单元。每段折线的长度随透镜天线单元在透镜天线阵面的位置不同而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差。更大的移相范围可以通过适当增加微带移相线长度和提高介质基板介电常数的方法来获得。所述天线结构中上下交错且相互垂直的金属长条地板分别作为双极化单元中两个极化的地板。所述的金属长条地板可以替换成钢线的形式，钢线间距应不超过λ/10，其中λ为单元工作的最高频率。

实施例一：

本实施例中透镜天线单元采用金属长条作为地板，单元整体尺寸为9×9×60mm³，对应于0.48×0.48×3.2λ³，其中λ为16GHz时的自由空间波长。所述介质基板的厚度为0.254mm，介电常数为3.5；所述微带移相线的线宽为0.2mm；所述过孔的直径为0.5mm；所述金属长条地板的厚度为0.6mm，宽度为6.5mm。所述透镜天线单元包括但不限于上述尺寸及介质参数。

其基本透镜单元结构的多个视图如图2～6所示，印刷在第一介质基板103的指数渐变槽104作为天线的辐射体，在超宽频带内具有稳定的辐射特性；微带线转槽线馈电结构的槽线部分105与指数渐变槽104的窄端相连，其微带线部分108与微带移相线109相连；金属长条地板106和金属长条地板110上下交错，相互垂直，分别穿过第一介质基板103和第二介质基板107；第一介质基板103和第二介质基板107通过切槽111和切槽105垂直对插；过孔112分别将第一介质基板103上的金属条带113和第二介质基板107上的金属条带114与两块介质另一面的金属覆铜相连通；金属条带113及其通过过孔112相连通的金属覆铜位于切槽115的位置，并与切槽115边缘的金属覆铜保持电连接，而金属条带114及其通过过孔112相连通的金属覆铜位于切槽111的位置，并与切槽111边缘的金属覆铜保持电连接，形成栅格状的阵面结构。

实施例一的工作频段为5～16GHz。如图8和9所示，分别为所设计的超宽带双极化Vivaldi透镜天线单元在四个典型频率下的传输幅值与传输相位随微带移相线总长度变化的曲线图，四个典型频率分别为5，8，12和16GHz。微带移相线总长度从17～72mm变化。可以看到除在16GHz，微带移相线总长度在62mm附近时，传输损耗达到了1.5dB，绝大部分传输损耗都在1dB以内，相比于传统的透镜天线单元而言有显著提升。另外，不同频率下的传输相位曲线随微带移相线总长度的改变呈线性变化，展现了该超宽带Vivaldi透镜天线单元的超宽带移相特性，可以实现真实时延线补偿空间相位的效果，能更好地补偿不同频率下，位于焦点的馈源天线到透镜阵面上不同位置单元的空间相位差。此外，更大的移相范围可以通过适当增加微带移相线长度和提高介质基板介电常数的方法来获得。

实施例二：

本实施例中透镜天线口径面为正方形，包括23×22个透镜天线单元，对应207×198mm²的口径面积，透镜天线的焦距为87mm，并采用双脊喇叭天线作为馈源天线。透镜天线单元采用钢线作为地板，每个单元里包含6×6根钢线，单元整体尺寸为9×9×60mm³，对应于0.48×0.48×3.2λ³，其中λ为16GHz时的自由空间波长。所述介质基板的厚度为0.254mm，介电常数为3.5；所述微带移相线的线宽为0.2mm；所述过孔的直径为0.5mm；所述钢线的直径为0.5mm，间距为1mm。所述透镜天线单元包括但不限于上述尺寸及介质参数。

其基本透镜单元的三维结构如图7所示，相比于图二，金属长条地板被钢线所取代。

本实例设计工作频段为5～16GHz。

图10给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在5GHz下E面主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到主极化的副瓣在90°附近抬高-12dB，由低频段时双脊喇叭波束宽度过宽所致；而交叉极化则小于-30dB。

图11给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在5GHz下H面主极化与交叉极化辐射方向图。可以看到相比于E面，主极化的副瓣下降；而交叉极化则有所恶化，但仍低于-25dB。

图12给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在8GHz下E面主极化与交叉极化辐射方向图。主极化的波束收窄，副瓣下降；而交叉极化小于-34dB。

图13给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在8GHz下H面主极化与交叉极化辐射方向图。H面主极化的波形变差，由双脊喇叭波形恶化所致；交叉极化小于-25dB。

图14给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在12GHz下E面主极化与交叉极化辐射方向图。主极化的波束进一步收窄，副瓣小于-22dB；而交叉极化仍小于-30dB。

图15给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在12GHz下H面主极化与交叉极化辐射方向图。主极化的波束进一步收窄，副瓣下降；交叉极化小于-25dB。

图16给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在16GHz下E面主极化与交叉极化辐射方向图。主极化的波束进一步收窄，但交叉极化出现恶化，小于-20dB，主要由馈源交叉极化和透镜单元交叉极化性能恶化所导致。

图17给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在16GHz下H面主极化与交叉极化辐射方向图。主极化的波束进一步收窄，副瓣下降。

图18给出了本实施例中所述基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线在4～17GHz频段内峰值增益随频率变化的曲线图。

综上所述，所设计的超宽带双极化Vivaldi透镜单元在超过3个倍频的带宽上都具有很好的传输性能。由该单元组成的超宽带双极化透镜阵面，在四个典型频率下都有稳定的辐射方向图，在侧射方向上E面和H面主极化方向图对称性良好，副瓣与交叉极化都较低。此外，峰值增益随频率变化符合口径天线的物理规律。所述新型的、基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线的性能相比于传统平面透镜天线有显著提升。

Claims

1.一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，该透镜天线包括：馈源天线、透镜阵面；其中透镜阵面包含有多个朝向一致阵列排布的透镜天线单元，各透镜天线单元包括：第一介质基板、第二介质基板、第一金属长条地板、第二金属长条地板；所述第一介质基板、第二介质基板的板面为矩形，板面垂直，长边相互接触；第一金属长条地板、第二金属长条地板的板面与第一介质基板、第二介质基板的板面垂直，第一金属长条地板从第一介质基板中部穿过，第二金属长条地板从第二介质基板中部穿过，第一金属长条地板和第二金属长条地板形成层叠结构；所述第一介质基板、第二介质基板的板面结构完全相同，都包括一上一下两个相对的Vivaldi天线，Vivaldi天线包括正面和背面，正面包括：两条指数渐变槽、圆形槽线，背面包括馈电微带片；第一介质基板、第二介质基板的板面形成上下对称的结构，背面的一上一下两个馈电微带片之间采用微带移相线连接，微带移相线呈方波状；所述相邻透镜天线单元的第一介质基板连通为一整块介质基板，第二介质基板连通为一整块介质基板，相邻透镜天线单元中Vivaldi天线的指数渐变槽起始端电连接，第一金属长条地板连通为一整条地板，第二金属长条地板连通为一整条地板。

2.如权利要求1所述的一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，其特征在于所述第一介质基板上部设置竖直的切槽，切槽延伸对应的下部的背表面设置金属条带，金属条带中均匀排布着多个金属通孔；第二介质基板的下部设置竖直的切槽，切槽延伸对应的上部的背表面设置金属条带，金属条带中均匀排布着多个金属通孔；第一介质基板上部的切槽和第二介质基板下部的切槽相互配合，用于使第一介质基板、第二介质基板对插卡合。

3.如权利要求1所述的一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，其特征在于所述透镜天线单元背面的方波状微带移相线每段折线的长度随透镜天线单元在透镜天线阵面的位置不同而变化，用以补偿馈源天线到透镜阵面上不同位置的空间相位差。

4.如权利要求1所述的一种基于Vivaldi天线形式的超宽带双极化透镜天线，其特征在于所述第一金属长条地板或第二金属长条地板为金属板状结构或金属线网状结构，金属线网状结构的金属线间距不超过λ/10，其中λ为单元工作的最高频率。