一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化Vivaldi天线单元

一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元
技术领域
1.本发明属于宽带阵列天线技术领域，具体为一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元。


背景技术：

2.随着雷达探测、电子对抗和无线通信等领域技术的不断发展，对天线的性能也有着越来越高的需求。在现代化的飞机、军舰等运动平台上往往需要安装数十套甚至数百套天线以满足雷达、通信、电子支援和电子干扰等需要。而天线的安装位置既要保证天线性能指标得以充分发挥又要兼顾相互间的电磁兼容性，这是非常困难的。同时，几十套不同类型的天线分布在飞机的各个部位，对飞机的空气动力学性能和隐身性能都有很大的影响。由于机载平台的空间有限，在设计机载天线时，要尽量减小天线的尺寸，希望用一副天线实现雷达、通信和电子对抗等多种功能，这就需要天线具有低剖面、超宽带、小型化等特点。特别是随着通信雷达一体化的发展，将通信天线和雷达天线进行组合设计，集成综合电子信息系统，不仅可以提高数据传输容量，而且可以大大减少射频链路机载占用空间，具有重大的现实意义。vivaldi天线是一种平面端射的渐变槽缝天线，由于其工作频带宽、方向性好、增益高等优点，并且结构简单易于加工集成，广泛应用于超宽带领域。
3.vivaldi天线由于其超宽带性能，自提出之后就得到极大的关注和发展，目前主要有介质基片型与全金属型。介质基片型可采用印刷电路技术制作，加工简单，但机械强度不够；而全金属型vivaldi天线整体可实现很高的机械强度，更适于苛刻的工作环境，但因其结构特性，射频连接器探针难以与天线结构焊接，仅仅通过探针顶点与天线碰触相接难以保障馈电的稳定性。
4.例如2020年，李哲等人在其发表的一篇名为《一种超宽带宽角扫描全金属vivaldi阵列天线》的专利(申请号:cn 202010836729.8)中，采用射频连接器直插的方式馈电，设计了一款工作于0.8-6ghz频段的单极化天线。该馈电结构虽然简单，但是考虑到机械加工及射频连接器生产时会产生的种种误差，难以保证射频连接器与天线的稳定连接。
5.例如2019年，王亚茹等人在其发表的一篇名为《l型连接器的双线极化金属渐变槽天线、阵列天线及方法》的专利(申请号:cn 201910326274.2)中，设计了一种可以焊接的双极化天线结构，即将天线结构剖开后放入射频连接器再进行焊接。但是对天线结构体剖开重组的处理方法，一是较为复杂，二是容易产生更多的加工误差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出了一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，优化的馈电结构易于焊接且结构简单，天线剖面较低且具有良好的宽带性能。
7.实现本发明目的的技术方案为：一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，包括金属地板、介质馈电层、金属天线单元以及两个射频连接器；所述金
属天线单元包括两个互相垂直的单极化单元，单元结构相同，且两个单极化单元相互连接且共用金属柱，所述单极化单元包括渐变槽、均匀直线槽、匹配腔和楔形尖顶；所述介质馈电层设置在金属地板与金属天线单元之间，所述两个射频连接器穿过金属地板；所述介质馈电层包括teflon介质层与矩形金属贴片，所述矩形金属贴片位于teflon介质层与均匀直线槽上表面相接处，所述射频连接器的探针穿过teflon介质层与矩形金属贴片相连，矩形金属贴片又与金属天线单元的均匀直线槽相连以进行馈电，两个射频连接器的探针穿过介质馈电层为两个单极化单元一一对应馈电。
8.优选地，渐变槽在单极化单元纵向中轴线的两侧，槽线的起始端为单极化单元和介质馈电层上表面的相接处，槽线开口向其起始段相对的另一方向渐渐变大；从渐变槽的起始端处开始向共用金属柱方向开槽形成平行于金属地板的均匀直线槽；所述匹配腔设置在渐变槽靠近公用金属柱的一侧且与均匀直线槽连通。
9.优选地，所述匹配腔为梯形，通过均匀直线槽与渐变槽相连。
10.优选地，所述渐变槽具有三段斜率不同的直线渐变线，且开口率由一端向另一端逐渐变大。
11.优选地，所述teflon介质层位于金属天线单元和金属地板之间的部分，仅保留位于均匀直线槽内的部分介质，其余部分被挖去，使得金属天线单元与金属地板连接。
12.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
13.本发明中的馈电结构易于焊接，可以保证射频连接器与天线结构的稳定连接，且结构简单，易于加工，具有普适性；
14.本发明天线结构顶端的楔形结构可以有效调节天线的高频部分阻抗匹配，提高了vivaldi天线阻抗调节的灵活性；
15.本发明的天线结构为全金属，可通过螺丝固定在金属地板上，结构强度高。
附图说明
16.图1是宽带双极化vivaldi天线单元全视图。
17.图2是宽带双极化vivaldi天线单元正视图。
18.图3是宽带双极化vivaldi天线单元馈电结构的全视图。
19.图4是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度下的驻波比随槽线开口ws的变化趋势。
20.图5是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在h面45
°
扫描角度下的驻波比随楔形尖顶的边长w的变化趋势。
21.图6是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度下的驻波比随均匀直线槽的槽线宽度hs的变化趋势。
22.图7是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度、30
°
及45
°
扫描角度下e面的驻波比。
23.图8是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度、30
°
及45
°
扫描角度下h面的驻波比。
24.图9是宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度及45
°
扫描角度下的端口隔离度。
25.图10宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型的主极化增益和交叉极化的增益。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
27.本发明的构思为：一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，包括金属地板3、介质馈电层2、金属天线单元1以及两个射频连接器4；所述金属天线单元1包括两个互相垂直的单极化单元，单元结构相同，且两个单极化单元相互连接且共用金属柱，所述单极化单元包括渐变槽12、均匀直线槽13、匹配腔14和楔形尖顶11；所述介质馈电层2设置在金属地板3与金属天线单元1之间，所述两个射频连接器4穿过金属地板3；所述介质馈电层包括teflon介质层22与矩形金属贴片21，所述矩形金属贴片21位于teflon介质层22与均匀直线槽13上表面相接处，所述射频连接器4的探针穿过teflon介质层22与矩形金属贴片21相连，矩形金属贴片21又与金属天线单元1的均匀直线槽相连以进行馈电，两个射频连接器4的探针穿过介质馈电层2为两个单极化单元一一对应馈电。
28.进一步的实施例中，渐变槽(12)在单极化单元纵向中轴线的两侧，槽线的起始端为单极化单元和介质馈电层(2)上表面的相接处，槽线开口向其起始段相对的另一方向渐渐变大；从渐变槽(12)的起始端处开始向共用金属柱方向开槽形成平行于金属地板的均匀直线槽(13)；所述匹配腔(14)设置在渐变槽(12)靠近公用金属柱的一侧且与均匀直线槽(13)连通；天线在工作时，能量通过同轴馈入到均匀直线槽(13)结构中，在槽线两侧金属壁上引起感应电流，并沿槽线向两侧流动，匹配腔(14)与均匀直线槽(13)的连接结构是一个开路结构，传向这一侧的电流通过匹配腔(14)的反射向槽线另一侧传导，于是大部分的能量通过均匀直线槽(13)传输到渐变槽(12)部分，并继续向上传播，最后形成辐射。
29.进一步的实施例中，所述匹配腔(13)为梯形，通过均匀直线槽(13)与渐变槽(12)相连，受限于倾斜渐变槽(12)，为了在有限的区域内设计出足够尺寸的匹配腔(13)，将传统的矩形腔设计为梯形腔。
30.进一步的实施例中，所述渐变槽(12)具有三段斜率不同的直线渐变线，且开口率由一端向另一端逐渐变大，随着槽线的逐渐张开，其对于电磁波的束缚力渐渐变小，以实现电磁波向空中辐射。
31.进一步的实施例中，所述teflon介质层(22)位于金属天线单元(1)和金属地板(3)之间的部分，仅保留位于均匀直线槽(13)内的部分介质，其余部分被挖去，使得金属天线单元(1)与金属地板(3)连接，由此保证了射频连接器和金属天线单元良好的电接触。
32.本发明中，所述楔形尖顶11边长为w，通过调节其边长可以有效调节扫描时高频部分的阻抗匹配性能。
33.本发明中，将以往结构中不便于焊接的探针的点触式馈电，优化为以介质为过渡的可焊接的面压式馈电。传统全金属vivaldi天线结构中，往往通过探针点触到均匀直线槽的上表面，实现射频连接器与天线的连接。考虑到加工误差等因素，该直径不到1mm的接触点并不稳定，而槽线一般较细，焊枪难以伸入，也无法通过焊接来确保探针和天线良好的接触。本发明中，在天线与金属地板间引入一层介质层，并在介质层上表面与均匀直线槽上表
面相接的部分印刷金属贴片，令探针穿过介质层与金属贴片相连。加工时将探针与金属贴片焊接在一起，最后将天线压在介质上，令均匀直线槽与金属贴片紧密压接在一起，保证了馈电的稳定性。并通过对渐变槽尺寸、均匀直线槽槽线宽度和天线顶部结构的优化，使该天线能够很好的应用于3-18.5ghz的频段中。本发明具有工作频频带宽、可大角度扫描、易于焊接、加工简单、结构稳定性好的优点，具有很高的工程应用价值。
34.实施例
35.如图1～3所示，一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，包括金属地板(3)、介质馈电层(2)、金属天线单元(1)以及两个射频连接器(4)；所述金属天线单元(1)包括两个互相垂直的单极化单元，单元结构相同，且两个单极化单元相互连接且共用金属柱，所述单极化单元包括渐变槽(12)、均匀直线槽(13)、匹配腔(14)和楔形尖顶(11)；所述介质馈电层(2)设置在金属地板(3)与金属天线单元(1)之间，所述两个射频连接器(4)穿过金属地板(3)；所述介质馈电层包括teflon介质层(22)与矩形金属贴片(21)，所述矩形金属贴片(21)位于teflon介质层(22)与均匀直线槽(13)上表面相接处，所述射频连接器(4)的探针穿过teflon介质层(22)与矩形金属贴片(21)相连，矩形金属贴片(21)又与金属天线单元(1)的均匀直线槽相连以进行馈电，两个射频连接器(4)的探针穿过介质馈电层(2)为两个单极化单元一一对应馈电。
36.渐变槽(12)在单极化单元纵向中轴线的两侧，槽线的起始端为单极化单元和介质馈电层(2)上表面的相接处，槽线开口向其起始段相对的另一方向渐渐变大；从渐变槽(12)的起始端处开始向共用金属柱方向开槽形成平行于金属地板的均匀直线槽(13)；所述匹配腔(14)设置在渐变槽(12)靠近公用金属柱的一侧且与均匀直线槽(13)连通。
37.具体操作的时候，在金属铝板上切割出渐变槽(12)、均匀直线槽(13)、匹配腔(14)和楔形尖顶(11)。
38.所述渐变槽(12)由三段斜率不同的直线渐变槽线组成，其开口率逐渐变大形成渐宽的开口辐射槽。其中槽线中部开口大小ws同时影响了第一段和第二段的槽线的斜率。如图4所示，ws过小时，低频匹配较差，说明此时，过小的开口和较小的斜率不足以支撑低频的正常工作；ws过大时，又对高频的阻抗匹配产生了影响。
39.所述楔形尖顶(11)边长为w，通过调节其边长可以有效调节扫描时高频部分的阻抗匹配性能。在单元大小和铝板厚度一定的情况下，对楔形尖顶(11)的边长w的调节，可以等效为对天线顶部开口大小wa的调节。如图5所示，在h面45
°
扫描角度下，若天线顶端不做楔形处理，即边长w与铝板的厚度4mm相等时，此时开口大小wa较小，高频部分阻抗匹配较差，而随着w的减小(即天线开口大小wa的增大)，高频的阻抗匹配得以优化。
40.所述匹配腔(13)为梯形，通过均匀直线槽(13)与渐变槽(12)相连。
41.所述teflon介质层(22)部分被挖去，以便金属天线单元(1)与金属地板(3)相接，即便于通过螺丝将金属天线单元(1)固定在金属地板(3)上。teflon介质层(22)的层厚与均匀直线槽(13)的槽线宽度相等，均为hs。如图6所示，仿真发现，该均匀直线槽(13)的槽线宽度对全频段的阻抗匹配影响都较大。
42.所述射频连接器(4)的探针通过teflon介质层(22)与矩形金属贴片(21)相连，加工时利用焊锡确保探针与矩形金属贴片(21)实现稳定连接，该矩形金属贴片(21)又与均匀直线槽(13)上表面相接，由此保证了射频连接器和金属天线单元良好的电接触。
43.进一步地，所述金属天线单元(1)，高度h为28.3mm(0.283λ
3ghz
)。
44.如图7和图8所示，经参数优化后，所述宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度驻波比小于2，45
°
扫描角度下e面和h面驻波比均小于3，全频带、大角度匹配良好。
45.如图9所示，经参数优化后，所述宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度和45
°
扫描角度下，端口隔离度均大于20db，端口隔离性较好。
46.如图10所示，经参数优化后，所述宽带双极化vivaldi天线无限大周期模型在法向角度下，极化隔离度(主极化增益与交叉极化增益的差值)均大于25db，极化隔离度较好。

技术特征：
1.一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，其特征在于，包括金属地板(3)、介质馈电层(2)、金属天线单元(1)以及两个射频连接器(4)；所述金属天线单元(1)包括两个互相垂直的单极化单元，单元结构相同，且两个单极化单元相互连接且共用金属柱，所述单极化单元包括渐变槽(12)、均匀直线槽(13)、匹配腔(14)和楔形尖顶(11)；所述介质馈电层(2)设置在金属地板(3)与金属天线单元(1)之间，所述两个射频连接器(4)穿过金属地板(3)；所述介质馈电层包括teflon介质层(22)与矩形金属贴片(21)，所述矩形金属贴片(21)位于teflon介质层(22)与均匀直线槽(13)上表面相接处，所述射频连接器(4)的探针穿过teflon介质层(22)与矩形金属贴片(21)相连，矩形金属贴片(21)又与金属天线单元(1)的均匀直线槽相连以进行馈电，两个射频连接器(4)的探针穿过介质馈电层(2)为两个单极化单元一一对应馈电。2.根据权利要求1所述的具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，其特征在于，渐变槽(12)在单极化单元纵向中轴线的两侧，槽线的起始端为单极化单元和介质馈电层(2)上表面的相接处，槽线开口向其起始段相对的另一方向渐渐变大；从渐变槽(12)的起始端处开始向共用金属柱方向开槽形成平行于金属地板的均匀直线槽(13)；所述匹配腔(14)设置在渐变槽(12)靠近公用金属柱的一侧且与均匀直线槽(13)连通。3.根据权利要求2所述的具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，其特征在于，所述匹配腔(13)为梯形，通过均匀直线槽(13)与渐变槽(12)相连。4.根据权利要求2所述的具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，其特征在于，所述渐变槽(12)具有三段斜率不同的直线渐变线，且开口率由一端向另一端逐渐变大。5.根据权利要求1所述的具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化vivaldi天线单元，其特征在于，所述teflon介质层(22)位于金属天线单元(1)和金属地板(3)之间的部分，仅保留位于均匀直线槽(13)内的部分介质，其余部分被挖去，使得金属天线单元(1)与金属地板(3)连接。

技术总结
本发明公开了一种具有新型馈电结构的宽带低剖面双极化Vivaldi天线单元，包括金属地板、介质馈电层、金属天线单元以及两个射频连接器，所述金属天线单元包括两个互相垂直的单极化单元，且两个单极化单元相互连接，连接处共用一根金属柱，两个单极化单元结构相同，所述介质馈电层设置在金属地板与金属天线单元之间，所述两个射频连接器设置在金属地板中，且两个射频连接器的探针穿过介质馈电层后分别为两个单极化单元馈电。本发明中的馈电结构易于焊接，可以保证射频连接器与天线结构的稳定连接，且结构简单，易于加工，具有普适性。具有普适性。具有普适性。


技术研发人员：吴文 周松照 宗志园 钱嵩松
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/13