一种空间探测用Vivaldi宽带天线阵列系统的制作方法

本发明涉及空间探测技术领域，具体涉及一种空间探测用vivaldi宽带天线阵列系统。

背景技术

随着深空探测技术的发展，其主要观测设备，射电望远镜的接收灵敏度不断提高，所观测的频率已从mhz上升到ghz。其中1-2ghz频段包含羟基脉泽，中性氢谱线，脉冲星等丰富的天文信息。然而随着现代通信的发展，各种通信业务对频谱资源的要求越来越高，无线电频谱资源越来越紧张。其中主要工作频段集中在1-2ghz的移动通信对射电天文观测产生了较大的干扰。因此目前亟需通过相关技术解决射电望远镜在1-2ghz所受到的电磁干扰的问题，降低天线的回波损耗，提升射电望远镜1-2ghz观测能力。而提升射电望远镜观测能力的关键一步是提升其相控阵馈源的性能，所以研究如何提升1-2ghz相控阵馈源的接收性能具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间探测用vivaldi宽带天线阵列系统，该宽带阵列系统能够有效降低回波损耗，减小能量传输中产生的高阶模和杂散场，能够对天线形成更加有效的馈电，提高天线的增益。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种空间探测用vivaldi宽带天线阵列系统，包括：

馈电网络和vivaldi天线阵列；

其中，所述馈电网络包括：功分器；

所述vivaldi天线阵列包括：多个vivaldi天线单元；

所述功分器具有与所述vivaldi天线单元个数相匹配的输出端口；

所述功分器的输出端口与所述vivaldi天线单元一一对应连接。

可选的，所述vivaldi天线单元包括：辐射部分和馈电部分；

所述辐射部分包括：指数渐变槽线；

所述馈电部分包括：扇形微带线和圆形谐振腔；

所述指数渐变槽线的外边缘上均匀开设有多个矩形波纹槽。

可选的，所述矩形波纹槽的宽度为1.13mm，相邻两个所述矩形波纹槽之间的间隔为1.07mm，所述矩形波纹槽的长度为17.75mm。

可选的，所述功分器为指数渐变t型功分器；所述指数渐变t型功分器为宽带一分四功分器。

可选的，所述宽带一分四功分器包括：阻抗变换器和a，c，d，e，f，g，h，i，k，l，m，n，p段微带线；

其中，所述a段微带线为所述功分器的输入端微带线；

所述c，d，e和f段微带线为一分二等幅同相输出微带线；

所述g，h，i，k，l，m，n和p段微带线为一分为四等幅同相输出微带线；

所述a段微带线的输出端与所述阻抗变换器的输入端连接，所述阻抗变换器的输出端分别与所述c和d段微带线的输入端连接，所述c段微带线的输出端与所述e段微带线的输入端连接，所述e段微带线的输出端分别与所述g和h段微带线的输入端连接，所述g段微带线的输出端连接所述l段微带线的输入端，所述h段微带线的输出端连接所述m段微带线的输入端；

所述d段微带线的输出端与所述f段微带线的输入端连接，所述f段微带线的输出端分别与所述i和k段微带线的输入端连接，所述i段微带线的输出端连接所述n段微带线的输入端，所述k段微带线的输出端连接所述p段微带线的输入端；

所述l，m，n和p段微带线的输出端分别与各自对应的所述vivaldi天线单元连接。

可选的，所述a，c，d，e，f，g，h，i，k，l，m，n和p段微带线均为指数式渐变微带线。

可选的，在所述指数渐变t型功分器的连接处开设有v型槽。

可选的，所述阻抗变换器包括：多级λ/4波长阻抗变换器；

所述多级λ/4波长阻抗变换器是由多节四分之一波长阻抗变换器串联形成的。

可选的，所述vivaldi天线单元采用介电常数为4.4的fr4_epoxy介质基板；

所述介质基板的厚度为1.6mm；

所述vivaldi天线的尺寸为125mm×86mm。

本发明采用以上技术方案，所述空间探测用vivaldi宽带天线阵列系统包括：馈电网络和vivaldi天线阵列；所述馈电网络包括：功分器；所述vivaldi天线阵列包括：多个vivaldi天线单元；所述功分器具有与所述vivaldi天线单元个数相匹配的输出端口；所述功分器的输出端口与所述vivaldi天线单元一一对应连接。本发明通过采用矩形波纹边缘开槽处理后的vivaldi天线单元，降低了天线的最低工作频率，展宽天线的工作带宽，抑制高次谐波；同时采用一款开设有v型槽的1分4指数渐变型t型功分器对所述vivaldi天线阵列进行馈电，有效降低了馈电网络的回波损耗，展宽了馈电网络的带宽；同时减小了能量传输中产生的高阶模和杂散场，有利于对天线形成了更加有效的馈电，提高天线的增益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明一个实施例提供的vivaldi宽带阵列系统整体结构示意图；

图2是本发明提供的vivaldi天线单元的结构示意图；

图3是本发明提供的vivaldi天线单元相应的参数标示图；

图4是本发明提供的一种vivaldi天线单元仿真的回波损耗图；

图5(a)是本发明提供的具有矩形波纹边缘的vivaldi天线单元的结构示意图；

图5(b)是图5(a)中所述的vivaldi天线单元仿真的回波损耗图；

图6是本发明提供的宽带一分四功分器的结构示意图；

图7是本发明提供的设有v型槽的指数渐变t型功分器的结构示意图；

图8是图7所述功分器的s11仿真图；

图9是本发明另一个实施例提供的vivaldi宽带阵列系统整体结构示意图；

图10(a)是图9所述的vivaldi宽带阵列的有源驻波比仿真图；

图10(b)是图9所述的vivaldi宽带阵列的增益仿真图。

图中：1、功分器；2、vivaldi天线阵列；3、第一vivaldi天线单元；4、第二vivaldi天线单元；5、第三vivaldi天线单元；6、第四vivaldi天线单元；7、指数渐变槽线；8、扇形微带线；9、圆形谐振腔；10、介质板；11、矩形波纹槽；12、阻抗变换器；13、v型槽。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

图1是本发明一个实施例提供的vivaldi宽带阵列系统整体结构示意图。

如图1所示，本实施例中的空间探测用vivaldi宽带天线阵列系统包括：

馈电网络和vivaldi天线阵列2；

其中，所述馈电网络包括：功分器1；

所述vivaldi天线阵列2包括：多个vivaldi天线单元；

所述功分器1具有与所述vivaldi天线单元个数相匹配的输出端口；

所述功分器1的输出端口与所述vivaldi天线单元一一对应连接。

对vivaldi天线单元而言，即使天线单元的长度小于3～5个中心工作频率的波长，依然可以实现良好的超宽特性。与长的vivaldi天线相比，短的vivaldi天线波束宽度更宽，增益和定向性相对差一些。

进一步的，如图2所示，所述vivaldi天线单元包括：辐射部分和馈电部分；

所述辐射部分包括：指数渐变槽线7；

所述馈电部分包括：扇形微带线8和圆形谐振腔9；

所述指数渐变槽线7的外边缘上均匀开设有多个矩形波纹槽11。

进一步的，所述矩形波纹槽11的宽度为1.13mm，相邻两个所述矩形波纹槽11之间的间隔为1.07mm，所述矩形波纹槽11的长度为17.75mm。

在实际应用中，由于vivaldi天线单元的设计既没有准确的计算公式，又没有特定的设计方法，所以大多是通过仿真优化进行设计。首先通过天线的工作频段确定渐变槽线的起始和终止宽度，再通过仿真软件仿真分析vivaldi天线单元的输入阻抗，然后根据天线单元的输入阻抗去设计合适的馈电巴伦，最后采用仿真优化进行阻抗匹配使天线单元可以在更宽频段内工作。由于vivaldi天线参数较多，因此仿真优化非常耗时。本实施例提取并分析了vivaldi天线单元的相关参数，通过分析关键参数对vivaldi天线单元性能的影响，从而给出具体的优化步骤和优化方法，进而减小天线的仿真优化时间，缩短天线的设计周期。

如图3所示，图中，

l：vivaldi天线单元的长度；rs：圆形槽线谐振腔的半径；

w：渐变槽线开口的最宽处；rm：扇形微带短截线的半径；

g：渐变槽线开口的最窄处；ar：扇形微带短截线张角；

r：指数渐变槽线7的曲率；wm2：50欧姆微带线的宽度；

wm1：λ/4阻抗变换器12的宽度；

vivaldi天线单元的关键参数分析：

vivaldi天线指数渐变槽线7的长度与天线的增益大小成正相关，一般为了确保天线的增益，要求下限截止频率低于1ghz宽带天线的长度大于2个波长，下限截止频率高于1ghz宽带天线的长度大1个波长，根据行波天线的准则，一般取vivaldi天线的长度为中心频率的3-5个波长。w为渐变槽线开口的最宽处，决定了天线的下限截止频率，一般取vivaldi天线的下限截止频率对应波导波长的1/2，既w应该满足下式：

fmin为天线单元的下限工作截止频率，εr表示相对介电常数。图3中的g为渐变槽线的最窄处，决定了天线工作的最高频率，g值取最高频率所对应波长的2％左右。r为指数渐变槽线7的曲率，决定了曲线的弯曲程度，对天线单元的增益和主瓣宽度有较大的影响。随着r的增大，天线主瓣增宽，增益下降。因此在回波损耗可以满足设计指标的情况下，应该使指数渐变槽线7的曲率r尽可能的小。

采用圆形槽线谐振腔可以使指数渐变槽线7在更大的频段上保持短路，一般取直径rs为中心频率所对应槽线中导波波长的1/4；采用扇形微带短截线可以使微带线在更宽的频带范围内实现开路效应，一般取rm为中心频率对应微带中导波波长的1/4，扇形的圆心角ar一般通过优化设计得到；wm1为四分之一波长阻抗变换器12的宽度，wm2分别50欧姆微带线的宽度，可以通过简单计算得到。

经过仿真优化得到本实施例中所述vivaldi天线单元的尺寸如下：l＝125mm，w＝86mm，r＝0.05，rs＝4mm，rm＝12mm，wm＝3mm，指数渐变曲线方程满足下式：

y＝±(c1e^rx+c2)

其中，

图4给出了所述vivaldi天线单元仿真的回波损耗图，天线的整体尺寸为125mm×86mm，同时由图4可知该天线单元的-10db带宽为0.8-5.8ghz，由此可得天线的倍频带宽为7.25，相对带宽为151％。

进一步的，所述指数渐变槽线7的外边缘上均匀开设有多个矩形波纹槽11。对所述vivaldi天线单元进行开槽处理可以延长电流路径，抑制表面波的产生，进而可以降低天线的频率下限，拓宽天线的工作频段。所开矩形槽的具体尺寸如下：所述矩形波纹槽11的宽度为1.13mm，相邻两个所述矩形波纹槽11之间的间隔为1.07mm，所述矩形波纹槽11的长度为17.75mm。图5给出了具有矩形波纹边缘的vivaldi天线单元的结构及其回波损耗仿真图，该天线的整体尺寸为125mm×86mm，大小与图4中的vivaldi单元一致。由图5(b)可知，该天线的-10db带宽为0.66-5.76hz,由此可得天线的倍频带宽为8.72，相对带宽为158％。

可知，采用矩形波纹边缘开槽处理后的vivaldi天线单元，具有更优的天线性能，其天线性能改善的主要原因有以下两点：第一波纹边缘可以产生更多的谐振，进而可以降低天线的最低工作频率，展宽天线的工作带宽；第二采用波纹边缘可以改变天线边缘的电流走向，抑制高次谐波，进而产生更高的增益和更窄的波束。

进一步的，所述vivaldi天线单元采用介电常数为4.4的fr4_epoxy介质基板；

所述介质基板的厚度为1.6mm；

所述vivaldi天线的尺寸为125mm×86mm。

如图6所示，所述功分器1为指数渐变t型功分器；所述指数渐变t型功分器为宽带一分四功分器。

具体的，所述宽带一分四功分器包括：阻抗变换器12和a，c，d，e，f，g，h，i，k，l，m，n，p段微带线；

其中，所述a段微带线为所述功分器1的输入端微带线；

所述c，d，e和f段微带线为一分二等幅同相输出微带线；

所述g，h，i，k，l，m，n和p段微带线为一分为四等幅同相输出微带线；

所述a段微带线的输出端与所述阻抗变换器12的输入端连接，所述阻抗变换器12的输出端分别与所述c和d段微带线的输入端连接，所述c段微带线的输出端与所述e段微带线的输入端连接，所述e段微带线的输出端分别与所述g和h段微带线的输入端连接，所述g段微带线的输出端连接所述l段微带线的输入端，所述h段微带线的输出端连接所述m段微带线的输入端；

所述d段微带线的输出端与所述f段微带线的输入端连接，所述f段微带线的输出端分别与所述i和k段微带线的输入端连接，所述i段微带线的输出端连接所述n段微带线的输入端，所述k段微带线的输出端连接所述p段微带线的输入端；

所述l，m，n和p段微带线的输出端分别与各自对应的所述vivaldi天线单元连接。其中，图6中，端口1是输入端口，端口2、3、4、5为输出端口。

进一步的，所述a，c，d，e，f，g，h，i，k，l，m，n和p段微带线均为指数式渐变微带线。

所述宽带阵列系统中，每个vivaldi天线单元作为一个天线阵元组成所述vivaldi天线阵列2，其中，所述vivaldi天线阵列2可以包括四个vivaldi天线单元(第一vivaldi天线单元3、第二vivaldi天线单元4、第三vivaldi天线单元5和第四vivaldi天线单元6)。本系统中，馈电网络采用所述功分器1将能量分配给各个天线阵元，对于vivaldi天线阵列2，为了使天线阵列达到最大增益，需要对阵元进行幅度相同、相位一致的馈电。对阵元进行等幅度馈电要求各级馈电网络采用二等分功分器1，对阵元进行等相位馈电则要求各级馈电网络的馈线长度一致。因此vivaldi宽带阵列的馈电网络采用馈线长度相等的多级二等分功分器1。并联馈电设计简单，带宽较宽，且波束方向与频率无关。

为了使本实施例中的vivaldi宽带阵列天线达到最大增益，需要同时对阵列中的四个阵元进行幅度相等相位相同的馈电。对vivaldi天线单元来说，传统的微带-槽线馈电巴伦多采用λ/4阻抗变换器12进行阻抗变换，四分之一波长阻抗变换器12位于扇形微带枝节与输入端的50欧姆微带线之间。由于在连接处的阻抗不连续性，传统的λ/4阻抗变换器12往往会带来较大的回波损耗。为了减小回波损耗，可以将多节四分之一波长阻抗变换器12串联形成多级λ/4波长阻抗变换器12，这样可以使阻抗变换更连续，进而可以有效减少连接处的回波损耗。节与节之间的阻抗变化会随着节数的增加而减小，当节数趋于无穷时，节与节之间的阻抗变化趋于零，此时多级阻抗变换器12可以看成阻抗连续的渐变线结构。

对于vivaldi宽带阵列天线来说，将渐变线结构应用于其馈电网络，可以减少馈电网络的回波损耗，使更多的能量传输到vivaldi天线单元，形成更加有效的辐射。本实施例所采用的指数渐变t型功分器，可以降低馈电网络的损耗，拓宽馈电网络的带宽。

此外，由于在t型功分器结节处有较强的不连续性，导致传统的t型功分器在能量的分配过程中往往会产生高阶模和杂散场，这将会造成较大的回波损耗。

如图7所示，本实施例在所述指数渐变t型功分器的连接处开设有v型槽13，对所述t型功分器的连接处进行开槽处理，可以有效减小阻抗不连续性，进而减小回波损耗。

如图8所示，经仿真分析，开设有v型槽13的1分4指数渐变型t型功分器可以有效减小连接处的高阶模和杂散场，降低功分器1的回波损耗。图8给出了开设有v型槽13的1分4指数渐变型t型功分器的s11仿真图，仿真所采用的介质板10为fr4_epoxy板，介质板10的介电常数为4.4，介质板10的厚度为1.6mm，t型功分器的整体尺寸为124mm×384mm。从图8中，可看出，指数渐变t型功分器-15db带宽为1-8ghz，说明所设计的t型功分器达到了设计要求。

图9中，提供了本发明的另一种可选的vivaldi宽带阵列系统的实施方式。该实施例中，所述功分器1采用开设有v型槽13的1分4指数渐变型t型功分器。所述vivaldi天线阵列2的整体尺寸为249mm×380mm，仿真采用的介质基板是fr4_epoxy板，介电常数为4.4，厚度为1.6mm。对单个vivaldi天线单元来说，采用天线的回波损耗来描述天线端口的阻抗匹配特性；而对于vivaldi阵列，则采用有源驻波比即activevswr来描述阵列的端口阻抗匹配特性。图10给出了本实施所述的vivaldi宽带阵列的有源驻波比和增益仿真图。由图10(a)可知在0.8-3ghz这个频段范围内，阵列的activevswr小于2，覆盖了设计指标中的1-2ghz，在带宽上达到了设计要求。

由图10(b)可知，在1-3ghz这个频段范围内阵列的增益大于3db。覆盖了设计指标中的1-2ghz，在增益上达到了设计要求。

本实施例采用一款开设有v型槽13的1分4指数渐变型t型功分器，用于对所述vivaldi天线阵列2进行馈电。在t型功分器的设计中，采用了指数式渐变微带线来实现阻抗变换，有效降低了馈电网络的回波损耗，展宽了馈电网络的带宽。同时对t型功分器的连接处进行了开槽处理，减小了能量传输中产生的高阶模和杂散场，将使更多的能量以幅度相等相位相同的形式传输到阵列中的四个vivaldi阵元，对天线形成了更加有效的馈电，大大增加了天线的增益。

需要补充说明的是，所述vivaldi宽带阵列系统不仅可以用于射电望远镜的馈源，还可以单独组阵，构成大型的低频阵列，用于深空探测。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。