CN113594680A - 一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化倍频程超宽带天线单元，第一Vivaldi天线与第二Vivaldi天线呈垂直正交设置，用于产生相位差为90°的电信号，形成左旋圆极化波或右旋圆极化波；第一Vivaldi天线包括第一介质基板以及辐射贴片，且辐射贴片对称的设置于第一介质基板上；辐射贴片设有扼流槽组与馈电结构，馈电结构用于馈以相位差为90°的信号，并在空中形成圆极化波；第二Vivaldi天线的结构设置与第一Vivaldi天线的结构设置相同；本发明的有益效果为实现了将传统的线极化波转换为圆极化波的过程；使得天线单元在强耦合效应的作用下获得超过三倍频程的宽角扫描特性；实现了超宽带小型化低剖面的特性。

Description

一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，雷达天线作为一种应用于通信广播、国防建设、航空航天领域的信息侦察探测设备，其性能指标面临着越发严格的要求。雷达天线多应用于相控阵中，通过电子控制的方法，可实现雷达波束指向和主瓣形状的快速变化。在多目标跟踪及观测高速运动目标方面有着独到的优势。然而一部相控阵雷达通常由上千个阵元组成，成本极大，现在多采用宽带相控阵雷达来满足多频段多系统共用共收发的需求，并能减少不同频段天线之间的干扰。

传统宽带相控阵的设计方式是先设计具有宽带性能的孤立天线单元，再将单元组成阵列天线，但该方式会由于单元间的相互耦合使阵列天线的匹配恶化。且由于一般的宽带天线单元尺寸较大，组阵之后体积更为庞大，不易于共形，更不易于实现波束的大角度扫描，无法实现雷达系统的功能。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现对波束进行大角度扫描的天线单元，目的在于提供一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列，能够通过形成的圆极化波实现波束大角度扫描的特性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种圆极化倍频程超宽带天线单元，包括第一Vivaldi天线与第二Vivaldi天线；所述第一Vivaldi天线与所述第二Vivaldi天线呈垂直正交设置，用于产生相位差为90°的电信号，形成左旋圆极化波或右旋圆极化波；

所述第一Vivaldi天线包括第一介质基板以及辐射贴片，且所述辐射贴片对称的设置于所述第一介质基板上；

所述辐射贴片上设有扼流槽组与馈电结构，所述馈电结构用于馈以相位差为90°的信号，并在空中形成圆极化波；

所述扼流槽组用于改变辐射臂的表面电流分布、改善口径宽度以及改善天线辐射性能；

所述第二Vivaldi天线的结构设置与所述第一Vivaldi天线的结构设置相同。

传统的对天线进行设置的时候，设计的方案是采用具有宽带性能的孤立天线单元，在将天线到哪元组成阵列天线，但是在采用这种方法对天线单元进行设计的时候，往往体积过大，在组成阵列的时候体积更为庞大，不易于实现波束的大角度扫描，本发明提供了一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列，通过将两个相同的Vivaldi天线垂直正交设置，将线极化形式更改为圆极化形式，且对馈电点位置、辐射贴片位置的改进，实现了天线单元在强耦合效应作用下获得超过三倍频程的宽角度扫描特性。

优选地，所述馈电结构包括馈电带线、第一槽线开路腔、第二槽线开路腔以及短路终端，所述第一槽线开路腔与所述第二槽线开路腔均设置在所述第一介质基板的边缘，且关于所述第一介质基板的中轴线对称设置；所述短路终端设置在所述第一槽线开路腔上方；所述馈电带线围绕所述第二槽线开路腔设置，且为带状线馈电；所述槽线开路腔用于调整馈电位置。

设置的短路终端结构能够有效降低电路的Q值，且同时可以拓宽天线的带宽。

优选地，所述辐射贴片由指数曲线围成，且所述扼流槽组设置在所述辐射贴片的中轴线处，所述馈电结构设置在所述扼流槽组的下方。

优选地，所述扼流槽组包括若干等间距设置的第一扼流槽与若干等间距设置的第二扼流槽，且所述第一扼流槽与所述第二扼流槽平行设置。

优选地，所述第一扼流槽与所述第二扼流槽均为矩形扼流槽，且所述第一扼流槽的长度小于所述第二扼流槽的长度。

优选地，所述第一扼流槽与所述介质基板的中轴线呈角度设置，所述第二扼流槽与所述介质基板中轴线的角度与所述第一扼流槽设置的角度相同。

优选地，所述短路终端为扇形结构或方形结构。

所采用的扇形结构是最优的方式，但是不限制与扇形、方形等结构的设置。

优选地，所述槽线开路腔的形状为半圆形结构或多边形结构。

采用的半圆形结构时最优的设置，且不限制与时采用半圆形结构或多边形结构。

本发明还公开了一种圆极化倍频程超宽带天线阵列，包括若干如上所述的圆极化倍频程超宽带天线单元，且所述天线单元呈阵列的形式均匀排布。

将构建的天线单元组成天线阵列，实现了天线单元在强耦合效应的作用下获得超过三倍频程的宽角扫描特性，减小了天线单元之间的耦合性能。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列，通过将第一Vivaldi天线与第二Vivaldi天线垂直设置，实现了将传统的线极化波转换为圆极化波的过程；

2、本发明实施例提供的一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列，通过对介质基板上的馈电点位置以及辐射贴片位置进行改进，使得天线单元在强耦合效应的作用下获得超过三倍频程的宽角扫描特性；

3、本发明实施例提供的一种圆极化倍频程超宽带天线单元及阵列，通过将扼流槽组中的扼流槽设置为矩形槽，实现了超宽带小型化低剖面的特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为天线单元整体结构示意图

图2为侧射时单元主/交叉极化仿真增益

图3为有源驻波比

图4为侧射时单元法向轴比

图5为2.2GHz情况下的单元方向图

图6为图6 1.4GHz情况下的单元方向图

图7为0.7GHz情况下的单元方向图

图8为扫描至0°时的阵列方向图(5*5阵列)

图9为扫描至30°时的阵列方向图(5*5阵列)

图10为扫描至55°时的阵列方向图(5*5阵列)

图11为圆极化紧耦合Vivaldi子线阵示意图

图12为第一Vivaldi天线的结构示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例一

本实施例公开了一种圆极化倍频程超宽带天线单元，如图1与图12所示，包括第一Vivaldi天线1与第二Vivaldi天线9；所述第一Vivaldi天线1与所述第二Vivaldi天线9呈垂直正交设置，其中一个呈水平设置，另一个垂直设置，用于产生相位差为90°的电信号，形成左旋圆极化波或右旋圆极化波，在垂直正交设置的结构中，水平放置的Vivaldi天线产生水平极化的线极化波，垂直放置的天线产生垂直极化的线极化波，对这两个天线同时激励起相位差为90°的电信号后，即可产生左旋或右旋圆极化波；

第一Vivaldi天线1包括第一介质基板以及辐射贴片2，在本实施例中，设置了两片辐射贴片2，分别粘贴在第一介质基板的正面以及背面，且正面与背面设置的辐射贴片2的结构是相对设置的，且结构时完全相同的；

辐射贴片2由指数曲线X＝C1*exp(a*Z)+C2(Z＝0:L)围成

其中：C1＝(x2-x1)/(exp(a*L)-1)

C2＝(x1*exp(a*L)-x2)/(exp(a*L)-1)

辐射贴片2上设有扼流槽组与馈电结构，且扼流槽组设置在辐射贴片2的中轴线处，扼流槽组包括若干等间距设置的第一扼流槽3与若干等间距设置的第二扼流槽4，且所述第一扼流槽3与所述第二扼流槽4平行设置；其目的是改变辐射臂的表面电流分布，改善口径宽度及天线辐射性能，在组阵时，可以为相邻的阵元之间增加容性耦合，在不增加天线剖面高度的情况下拥有更低的截止频率。

在本实施例中，设置的第一扼流槽3与第二扼流槽4均为矩形扼流槽，且第一扼流槽3的长度小于第二扼流槽4的长度，其中设置的第一扼流槽3与设置的第二扼流槽4之间的关系为第二扼流槽长度是第一扼流槽的2倍，但是不限制于这种设置的方法，不管数量还是扼流槽之间的间距大小，都不进行限制，这种设置的方法时最优的选择。

第一扼流槽3与所述介质基板的中轴线呈角度设置，所述第二扼流槽4与所述介质基板中轴线的角度与所述第一扼流槽3设置的角度相同，在本实施例中不限制于第一扼流槽3与第二扼流槽4与介质基板中轴线之间所呈现的角度，可以为任意一个角度进行设置，但是在本实施例中，采用设置的角度为九十度作为最优的选择设置；

馈电结构设置在扼流槽组的下方，所述馈电结构包括馈电带线7、第一槽线开路腔6、第二槽线开路腔8以及短路终端5，所述第一槽线开路腔6与所述第二槽线开路腔8均设置在所述第一介质基板的边缘，且关于所述第一介质基板的中轴线对称设置，设置相互对称结构的槽线开路腔，主要是用于调整馈电点位置，也便于组阵，有利于减小栅瓣，在本实施例中，槽线开路腔的形状为半圆形结构或多边形结构，优选为半圆形结构，且半圆形的直径与第一介质基板的边缘相互接触，均设置在第一介质基板的底部；

短路终端5设置在所述第一槽线开路腔6上方，本实施例将短路终端5设置在第一槽线开路腔6的上方，但是不限制与对短路终端5对设置的位置进行固定，采用的是扇形结构或方形结构；

所述馈电带线7围绕所述第二槽线开路腔8设置，且为带状线馈电，设置为带状线馈电主要是这种结构的馈电带线7匹配的枝节更好；所述槽线开路腔用于调整馈电位置。所述馈电结构用于馈以相位差为90°的信号，并在空中形成圆极化波；第二Vivaldi天线9的结构设置与所述第一Vivaldi天线1的结构设置相同。

工作原理：

该天线单元具有两个馈电点，馈电位置为馈电带线7所在位置，对两片改进型Vivaldi天线由带状线进行馈电，分别馈以相位差为90°的信号，经带状线-槽线转换器结构传输到辐射贴片2上，通过辐射贴片2辐射到空中形成圆极化波。

如图2所示，为侧射情况下单元的增益仿真结果，可以看出，在0.7～2.2GHz频段内可获得稳定的圆极化增益，相对带宽为103％，为三倍频程超宽带天线；如图3所示，展示了该单元天线的有源驻波比，可以看出在大扫描角50°扫描时，该天线仍具有良好的驻波特性，驻波比为3.5以下；如图4所示，展示出了侧射时的轴比结果，可以看出，在整个频段内，该天线具有良好的轴比特性，轴比在0.05dB以下；如图5～图7所示，为0.7-2.2GHz频段内三个频点的辐射方向图结果，可以看出该天线具有稳定且对称的辐射波瓣。

实施例二

本实施例公开了一种圆极化倍频程超宽带天线阵列，本实施例采用的天线单元为实施例一中提供的圆极化倍频程超宽带天线单元，其结构如图11所示，且所述天线单元呈阵列的形式均匀排布。

如图8～图10所示，展示出了由该天线组成的5*5阵列的扫描结果，可以看出由本发明所提出的单元天线组成的阵列较其他形式的紧耦合阵列来说，在栅瓣上具有明显的优势；图11为该天线的5*5阵列模型。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，包括第一Vivaldi天线(1)与第二Vivaldi天线(9)；所述第一Vivaldi天线(1)与所述第二Vivaldi天线(9)呈垂直正交设置，用于产生相位差为90°的电信号，形成左旋圆极化波或右旋圆极化波；

所述第一Vivaldi天线(1)包括第一介质基板以及辐射贴片(2)，且所述辐射贴片(2)对称的设置于所述第一介质基板上；

所述辐射贴片(2)上设有扼流槽组与馈电结构，所述馈电结构用于馈以相位差为90°的信号，并在空中形成圆极化波；

所述扼流槽组用于改变辐射臂的表面电流分布、改善口径宽度以及改善天线辐射性能；

所述第二Vivaldi天线(9)的结构设置与所述第一Vivaldi天线(1)的结构设置相同。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述馈电结构包括馈电带线(7)、第一槽线开路腔(6)、第二槽线开路腔(8)以及短路终端(5)，所述第一槽线开路腔(6)与所述第二槽线开路腔(8)均设置在所述第一介质基板的边缘，且关于所述第一介质基板的中轴线对称设置；所述短路终端(5)设置在所述第一槽线开路腔(6)上方；所述馈电带线(7)围绕所述第二槽线开路腔(8)设置，且为带状线馈电；所述槽线开路腔用于调整馈电位置。

3.根据权利要求2所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述辐射贴片(2)由指数曲线围成，且所述扼流槽组设置在所述辐射贴片(2)的中轴线处，所述馈电结构设置在所述扼流槽组的下方。

4.根据权利要求2所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述扼流槽组包括若干等间距设置的第一扼流槽(3)与若干等间距设置的第二扼流槽(4)，且所述第一扼流槽(3)与所述第二扼流槽(4)平行设置。

5.根据权利要求4所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述第一扼流槽(3)与所述第二扼流槽(4)均为矩形扼流槽，且所述第一扼流槽(3)的长度小于所述第二扼流槽(4)的长度。

6.根据权利要求5所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述第一扼流槽(3)与所述介质基板的中轴线呈角度设置，所述第二扼流槽(4)与所述介质基板中轴线的角度与所述第一扼流槽(3)设置的角度相同。

7.根据权利要求1～6任一所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述短路终端(5)为扇形结构或方形结构。

8.根据权利要求7所述的一种圆极化倍频程超宽带天线单元，其特征在于，所述第一槽线开路腔(7)的形状与所述第二槽线开路腔(8)的形状均为为半圆形结构或多边形结构。

9.一种圆极化倍频程超宽带天线阵列，其特征在于，包括若干如权利要求1～8所述的圆极化倍频程超宽带天线单元，且所述天线单元呈阵列的形式均匀排布。

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