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CN113540823A - 加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线 - Google Patents

加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，包括对拓型Vivaldi天线单元和金属底板；所述对拓型Vivaldi天线单元不均匀排布在所述金属底板上；所述对拓型Vivaldi天线单元包括前辐射贴片和后辐射贴片，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片上均开设有周期性排布的“一”字型缝隙。本发明的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，实现了Vivaldi阵列天线的小型化。

Description

加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线。
背景技术
随着第五代移动通信技术的研究发展，毫米波频段作为新的频谱资源已经得到越来越高的重视。Vivaldi天线是一种高增益、宽频带的端射行波天线，由于具有成本低、易加工的特点，得到广泛的应用和研究。
Vivaldi天线由于宽带、高增益以及低交叉极化等优势在雷达、通信以及电子对抗等领域扮演者愈加重要的角色。随着平面集成电路的发展，低剖面、易集成、低成本的印刷Vivaldi阵列天线成为了当下的研究热点，将Vivaldi阵列天线应用于毫米波频段之中有着重要意义。
目前，Vivaldi天线作为一种相控阵天线单元已广泛应用于军事和民用通信领域。针对机载、弹载平台的空间有限，研究Vivaldi阵列天线的小型化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，实现Vivaldi阵列天线小型化。
为了达到上述的目的，本发明提供一种加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，包括对拓型Vivaldi天线单元和金属底板；所述对拓型Vivaldi天线单元不均匀排布在所述金属底板上；所述对拓型Vivaldi天线单元包括前辐射贴片和后辐射贴片，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片上均开设有周期性排布的“一”字型缝隙。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，所述对拓型Vivaldi天线单元按随机最优分布方式排布；所述随机最优分布方式，对各对拓型Vivaldi天线单元之间的间距进行设计，通过仿真不断优化设计，使得阵列端口隔离度最优。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，所述小型化Vivaldi阵列天线还包括天线罩，所述天线罩罩住金属底板上的对拓型Vivaldi天线单元；所述天线罩的材料为氮化硅陶瓷；所述天线罩为正切卵形结构。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，后辐射贴片上“一”字型缝隙形成的图案与前辐射贴片上“一”字型缝隙形成的图案完全相同。一个周期性包含多条相互平行的“一”字型缝隙，多条“一”字型缝隙的尺寸各不相同。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，一个周期性包含三条“一”字型缝隙，尺寸分别为0.8mm×9mm、0.6mm×9.86mm和0.6mm×2.86mm，依次排列；所述金属底板直径为155mm；所述对拓型Vivaldi天线单元有八个，介质基板的尺寸为72mm×48mm×0.508mm。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，所述对拓型Vivaldi天线单元还包括介质基板和SMA射频连接器，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片分别设置在所述介质基板的两个外表面上，所述SMA射频连接器设置在所述介质基板下方，与所述前辐射贴片和所述后辐射贴片均连接。
上述加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其中，介质基板的材料为Rogers RO4003；前辐射贴片和后辐射贴片的材料均为金属铜；所述金属底板的材料为6061铝板。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的Vivaldi阵列天线，对拓型Vivaldi天线单元采用不均匀分布方式，对拓型Vivaldi天线单元采用设有“一”字型缝隙的辐射贴片，实现了阵列天线的小型化，解决了机载、弹载平台空间有限的问题；
本发明的Vivaldi阵列天线，通过合理地选择Vivaldi天线单元的间距，提高了阵列天线的隔离度；
本发明的Vivaldi阵列天线，Vivaldi天线单元结构简单，易于批量加工制造，成本低；
本发明的Vivaldi阵列天线，氮化硅陶瓷天线罩的引入不仅增加了Vivaldi阵列天线的增益，而且改善了阵列天线的隔离度问题。
附图说明
本发明的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线的示意图。
图2为本发明较佳实施例中对拓型Vivaldi天线单元的爆炸图；图3所示为现有的对拓型Vivaldi天线单元的示意图。
图4为本发明较佳实施例的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线驻波仿真图。
图5为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线未加载天线罩下隔离度仿真图。
图6为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线加载天线罩下隔离度仿真图。
图7为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线未加载天线罩下增益仿真图。
图8为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线加载天线罩下增益仿真图。
具体实施方式
以下将结合图1～图8对本发明的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线作进一步的详细描述。
本发明的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线包括对拓型Vivaldi天线单元和金属底板；所述对拓型Vivaldi天线单元不均匀排布在所述金属底板上；所述对拓型Vivaldi天线单元包括前辐射贴片和后辐射贴片，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片上均开设有周期性排布的“一”字型缝隙。
对拓型Vivaldi天线单元采用非均匀排布可有效降低天线单元之间的耦合，有助于Vivaldi阵列天线小型化；采用设有“一”字型缝隙的辐射贴片，可减小对拓型Vivaldi天线单元的尺寸。
图1所示为本发明较佳实施例的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线的示意图。
参见图1，本实施例的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线包括对拓型Vivaldi天线单元1、正切卵形天线罩2和金属底板3；所述对拓型Vivaldi天线单元1不均匀排布在所述金属底板3上；所述正切卵形天线罩2罩住金属底板3上的对拓型Vivaldi天线单元1。
具体地，所述对拓型Vivaldi天线单元1为多个，多个所述对拓型Vivaldi天线单元1均竖立在所述金属底板3上，多个所述对拓型Vivaldi天线单元1按随机最优分布方式不均匀地排布在所述金属底板3上。所述随机最优分布方式，对各对拓型Vivaldi天线单元1之间的间距进行设计，通过仿真不断优化设计，使得阵列端口隔离度最优，即按阵列端口隔离度最优时设计的各对拓型Vivaldi天线单元1之间的间距排布各对拓型Vivaldi天线单元1。
现有技术中，对拓型Vivaldi天线单元均匀排布在金属底板上，即对拓型Vivaldi天线单元沿圆(金属底板)的半径方向设置，具体地，对拓型Vivaldi天线单元的宽度方向在圆的半径方向上，多个对拓型Vivaldi天线单元沿圆周均匀排布。而本发明中，多个对拓型Vivaldi天线单元在金属底板(圆)上随机排布(即非均匀排布)。当对拓型Vivaldi天线单元的数量一定，阵列端口隔离度达到相同效果，本发明的金属底板的尺寸小于现有技术的金属底板的尺寸，可见，相比于均匀排布，本发明有助于Vivaldi阵列天线小型化。
图2所示为本发明较佳实施例中对拓型Vivaldi天线单元的爆炸图；图3所示为现有的对拓型Vivaldi天线单元的示意图。
参见图2，所述对拓型Vivaldi天线单元1包括介质基板6、前辐射贴片4、后辐射贴片5和SMA射频连接器6，所述前辐射贴片4和所述后辐射贴片5分别设置在所述介质基板6的两个外表面上，所述SMA射频连接器6设置在所述介质基板6下方，与所述前辐射贴片4和所述后辐射贴片5均连接。
对比图3，本发明对对拓型Vivaldi天线单元进行改进，参见图2，本实施例的对拓型Vivaldi天线单元1，所述前辐射贴片4和所述后辐射贴片5上均开设有周期性排布的“一”字型缝隙。采用设有“一”字型缝隙的辐射贴片，增加了电流的有效路径，在不增加单元尺寸的情况下，可以扩宽天线的阻抗带宽，在达到相同技术效果的前提下，对拓型Vivaldi天线单元的尺寸可大大减小，进一步有助于Vivaldi阵列天线小型化。
参见图2，较佳地，本实施例中，一个周期性包含三条“一”字型缝隙，三条“一”字型缝隙相互平行，分别是第一“一”字型缝隙8、第二“一”字型缝隙9、第三“一”字型缝隙10，三条“一”字型缝隙的尺寸各不相同；同一辐射贴片上设有五个周期，且后辐射贴片5上“一”字型缝隙形成的图案与前辐射贴片4上“一”字型缝隙形成的图案完全相同。但本发明对辐射贴片上“一”字型缝隙形成的图案不作限制，可根据需求设计，即本发明不限制一个周期包含的“一”字型缝隙的数量、各“一”字型缝隙的尺寸及周期数。
参见图1，本实施例例中，Vivaldi阵列天线加载有正切卵形天线罩2，所述正切卵形天线罩2的材料采用氮化硅陶瓷，可提高阵列天线的增益和隔离度。
参见图1，本实施例中，所述金属底板3为圆形，直径为155mm，材料采用6061铝板；金属底板3的主要作用是提高阵列天线的增益和方向性，阻挡及屏蔽来自反方向的电磁波；
所述金属底板3上设有八个所述对拓型Vivaldi天线单元1，各对拓型Vivaldi天线单元1相同，八个对拓型Vivaldi天线单元1按随机最优分布方式不均匀地排布在金属底板3上；本实施例在155mm孔径约束范围内实现了八个天线单元的分布，通过仿真验证，阵列端口隔离度完全达到技术要求；
参见图2，本实施例例中，对拓型Vivaldi天线单元1，介质基板6的材料为RogersRO4003，前辐射贴片4和后辐射贴片5的材料均为金属铜；第一“一”字型缝隙8的尺寸为0.8mm×9mm，第二“一”字型缝隙9的尺寸为0.6mm×9.86mm，第三“一”字型缝隙10的尺寸为0.6mm×2.86mm；增设“一”字型缝隙图案的主要作用是减小单元尺寸，实现单元的小型化，本实施例的对拓型Vivaldi天线单元1的介质基板6的尺寸为72mm(长)×48mm(宽)×0.508mm(厚)，而在达到相同技术效果的前提下，现有的拓型Vivaldi天线单元的介质基板的尺寸为70mm(长)×70mm(宽)；
参见图1，本实施例例中，所述正切卵形天线罩2的长为220mm，底面直径为170mm，厚度为5mm。所述正切卵形天线罩2的材料为耐高温、透波率高的氮化硅陶瓷，可以有效改善Vivaldi阵列天线的方向图与隔离度。
图4所示为本发明较佳实施例的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线驻波仿真图。如图4所示，通过仿真，在3GHz-18GHz的频带范围内驻波均小于3，符合工程上对天线驻波的要求。
图5所示为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线未加载天线罩下隔离度仿真图；图6所示为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线加载天线罩下隔离度仿真图。如图5和图6所示，通过仿真，在2-18GHz的频段范围内，阵列天线加载天线罩后，在高频部分，天线的隔离度有所改善。
图7所示为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线未加载天线罩下增益仿真图；图8所示为不均匀分布小型化Vivaldi阵列天线加载天线罩下增益仿真图。如图7和图8所示，通过仿真，在2-18GHz的频段范围内，阵列天线加载天线罩后，在中心频率10GHz处，天线的增益提高了0.5dB。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，包括对拓型Vivaldi天线单元和金属底板；所述对拓型Vivaldi天线单元不均匀排布在所述金属底板上；所述对拓型Vivaldi天线单元包括前辐射贴片和后辐射贴片，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片上均开设有周期性排布的“一”字型缝隙。
2.如权利要求1所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述对拓型Vivaldi天线单元按随机最优分布方式排布；所述随机最优分布方式，对各对拓型Vivaldi天线单元之间的间距进行设计，通过仿真不断优化设计，使得阵列端口隔离度最优。
3.如权利要求1所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述小型化Vivaldi阵列天线还包括天线罩，所述天线罩罩住金属底板上的对拓型Vivaldi天线单元；所述天线罩的材料为氮化硅陶瓷。
4.如权利要求3所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述天线罩为正切卵形结构。
5.如权利要求1所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，后辐射贴片上“一”字型缝隙形成的图案与前辐射贴片上“一”字型缝隙形成的图案完全相同。
6.如权利要求5所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，一个周期性包含多条相互平行的“一”字型缝隙，多条“一”字型缝隙的尺寸各不相同。
7.如权利要求6所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，一个周期性包含三条“一”字型缝隙，尺寸分别为0.8mm×9mm、0.6mm×9.86mm和0.6mm×2.86mm，依次排列。
8.如权利要求7所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述对拓型Vivaldi天线单元还包括介质基板和SMA射频连接器，所述前辐射贴片和所述后辐射贴片分别设置在所述介质基板的两个外表面上，所述SMA射频连接器设置在所述介质基板下方，与所述前辐射贴片和所述后辐射贴片均连接。
9.如权利要求8所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，所述金属底板直径为155mm；所述对拓型Vivaldi天线单元有八个，介质基板的尺寸为72mm×48mm×0.508mm。
10.如权利要求9所述的加载天线罩不均匀分布的小型化Vivaldi阵列天线，其特征在于，介质基板的材料为Rogers RO4003；前辐射贴片和后辐射贴片的材料均为金属铜；所述金属底板的材料为6061铝板。
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