一种vivaldi天线及双极化探头的制作方法

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种vivaldi天线及双极化探头。

背景技术：

近场测量方法是天线测量的重要手段,它可以在近距离获得天线的远场性能参数,是天线辐射特性测试的重要方法。在近场测试系统的设计过程中,探头对近场测试系统电气性能有很大影响。近场测试系统的探头在照射角范围内,远场辐射方向图需要具有良好的轴对称特性,方向图的e面和h面尽量平坦且具有较低的交叉极化。目前,近场测量系统中的双极化测量主要通过两种方式来实现:一是利用单极化探头的机械转动来实现双极化；二是直接利用双极化探头实现。

双极化探头在测试过程中不需要机械调节,具有测试方便、测试速度快的优点,但要求探头具备低交叉极化、宽频带特性以及小的口径尺寸。为实现这些特性,该类探头设计难度大,设计成本高，并且目前的探头天线的高频交叉极化电平差，端口耦合隔离度低。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种vivaldi天线及双极化探头，具有高极化隔离度，高端口耦合隔离度的效果。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种vivaldi天线，其特征是：包括上、中、下三层金属层及夹设于相邻两金属层间的介质板，上、下层金属层上形成vivaldi天线辐射结构，中间金属层上形成馈电结构并与所述vivaldi天线辐射结构电连接；

其中，所述vivaldi包括左右对称设置的辐射片，所述辐射片包括中间辐射片和连接于中间辐射片两侧的侧边辐射片，所述中间辐射片与所述侧边辐射片之间开设有辐射槽缝；

所述vivaldi天线沿所述中间辐射片的中线开设有用于与另一所述vivaldi天线垂直卡接的卡槽。

进一步设置：所述中间金属层的馈电结构包括t型功分器，所述t型功分器的两个输出端口分别与位于卡槽两侧的辐射片连接，且两个输出端口的相位相差180°。

进一步设置：下层金属层对应于所述中间金属层的t型功分器的输入端口设置有与t型功分器的输入端口电连接的馈电电路。

进一步设置：所述下层金属层的馈电电路与t型功分器的输入端口采用微带线/槽线转换器中的微带线接地连接。

进一步设置：所述侧边辐射片开设多个加载槽。

进一步设置：多个所述加载槽沿金属层的长度方向等距排布。

进一步设置：所述辐射槽缝包括圆形槽、沿侧边辐射片的侧边延伸的第一渐变槽及沿中间辐射片的侧边延伸的第二渐变槽，所述第一渐变槽与第二渐变槽均与圆形槽连接，所述第一渐变槽大于第二渐变槽。

进一步设置：所述介质板及上、中、下金属层对应辐射片的周边开设有若干金属过孔，所述介质板与上、下金属层通过金属过孔形成基片波导结构。

一种双极化探头，包括两个如上所述的vivaldi天线，其通过所述卡槽相互垂直卡接。

进一步设置：所述卡槽包括开设于一个vivaldi天线的第一卡槽和开设于另一vivaldi天线的第二卡槽，第一卡槽的开口方向与第二卡槽的开口方向相反，两个所述vivaldi天线通过第一卡槽与第二卡槽卡接配合以垂直连接。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

1.通过在中间金属层设置t型功分器，并使t型功分器的两个输出端口的相位相差180°，从而实现天线信号的等幅激励，同时构成差分馈电结构，进一步改善vivaldi天线的电气性能，并可达到抗干扰的目的。

2.通过设置加载槽可使电流集中在第一渐变槽和第二渐变槽附近流动，从而使能量更好地辐射出去以实现天线的超宽带设计，同时还能降低天线在低频的回波损耗，使天线阻抗匹配效果最佳。

3.通过第一卡槽与第二卡槽的卡接配合以实现两个vivaldi天线的垂直连接，构成了双极化探头，并且在卡槽的两侧均具有完整的vivaldi结构，能够在天线e面产生类似平面波的电场，使得天线在工作频段辐射介质板的电场分布更加均匀、集中，天线方向图更为稳定，电场线沿vivaldi天线辐射结构的周边流动而产生较强的辐射，使得天线单元具备超宽的工作频段，使天线增益得到提高，尤其是在高频段，可以有效改善低端驻波，使得天线具有良好的高频交叉极化电平，并且具有较高的隔离度，天线性能优越；

4.在卡槽的两侧均具有完整的vivaldi结构，无需破坏vivaldi结构的圆形缝隙背腔，以使两个vivaldi天线的相位中心也一致。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2a为本发明实施例的第一天线单元的上层金属层的示意图；

图2b为本发明实施例的第一天线单元的中间金属层的示意图；

图2c为本发明实施例的第一天线单元的下层金属层的示意图；

图3a为本发明实施例的第二天线单元的上层金属层的示意图；

图3b为本发明实施例的第二天线单元的中间金属层的示意图；

图3c为本发明实施例的第二天线单元的下层金属层的示意图；

图4为本发明的天线端口之间的隔离度仿真结果图；

图5为本发明的双极化探头的xoy、yoz两个主平面的辐射增益曲线图。

图中，1、第一天线单元；11、第一卡槽；2、第二天线单元；21、第二卡槽；3、vivaldi天线辐射结构；31、中间辐射片；32、侧边辐射片；33、辐射槽缝；331、圆形槽；332、第一渐变槽；333、第二渐变槽；4、馈电结构；41、t型功分器；42、微带线；5、馈电电路；6、金属过孔；7、加载槽。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

请参照图1至图3c，本发明涉及一种vivaldi天线，包括上、中、下三层金属层及夹设于相邻两金属层之间的介质板(图中未示意)，即介质板设置有两块，同时，上、下层金属层上形成vivaldi天线辐射结构3，中间金属层上则形成馈电结构4并与上、下金属层的所述vivaldi天线辐射结构3电连接。

其中，所述vivaldi天线辐射结构3包括左右对称设置的辐射片，所述辐射片包括中间辐射片31和连接于中间辐射片31两侧的侧边辐射片32，并且中间辐射片31与侧边辐射片32之间开设有辐射槽缝33。

所述辐射槽缝33包括圆形槽331、沿侧边辐射片32的侧边延伸的第一渐变槽332和沿中间辐射片31的侧边延伸的第二渐变槽333所述，第一渐变槽332与所述第二渐变槽333均与所述圆形槽331连接，形成喇叭状开口，并且所述第一渐变槽332大于所述第二渐变槽333，所述第一渐变槽332的长度大于所述第二渐变槽333的长度，以实现双开槽vivaldi结构，并降低低端驻波。

并且，所述介质板及上、中、下金属层上对应辐射片的周边开设有若干金属过孔6，即所述金属过孔6对应所述第一渐变槽332、第二渐变槽333、圆形槽331以及辐射片长度方向的侧边设置，所述介质板与上、下金属层通过金属过孔6阵列贯通，以形成基片波导结构。

此外，所述vivaldi天线沿所述中间辐射片31的中线开设有用于与另一所述vivaldi天线垂直卡接的卡槽，可供两个vivaldi天线垂直卡接以形成双极化探头。

所述中间金属层的馈电结构4包括t型功分器41，所述t型功分器41的两个输出端口分别与位于卡槽两侧的辐射片连接，并且两个输出端口的相位相差180°，从而形成差分馈电结构，进一步改善vivaldi天线的电气性能。优选地，在下层金属层对应于中间金属层的t型功分器41的输入端口设置有与t型功分器41的输入端口电连接的馈电电路5，并且所述馈电电路5与t型功分器41的输入端口采用微带线/槽线转换器中的微带线42接地连接，所述微带线42贯穿中间金属层与下层金属层之间的介质板，且所述微带线42与金属过孔6不接触。

所述侧边辐射片32还开设有多个加载槽7，多个所述加载槽7沿金属层的长度方向等距排布，进一步改善vivaldi天线的电气性能。

以上示例的vivaldi天线可单独使用，也可将两个辐射及馈电结构相同的vivaldi天线垂直连接以构成低交叉极化比、高端口隔离度的双极化天线。

本发明还涉及一种采用两个如上所述的vivaldi天线组合而成的双极化探头。所述卡槽包括开设于一个vivaldi天线的第一卡槽11和开设于另一个vivaldi天线的第二卡槽21。为便于表达，将开设有第一卡槽11的vivaldi天线定义为第一天线单元1，开设有第二卡槽21的vivaldi天线定义为第二天线单元2，第一卡槽11与第二卡槽21均位于vivaldi天线的中线位置，第一卡槽11的开口方向与第二卡槽21的开口方向相反，从而可供第一天线单元1和第二天线单元2垂直卡接。优选地，第一卡槽11和第二卡槽21的长度之和等于vivaldi天线的长度，第一卡槽11和第二卡槽21的宽度均与vivaldi天线的厚度相匹配设置。

通过将所述第一天线单元1与第二天线单元2以卡槽配合卡接，使得第一天线单元1和第二天线单元2呈十字交叉连接在一起，组成了正交连接的双极化探头，此时所述第一天线单元1和所述第二天线单元2的vivaldi结构的天线辐射开口朝向相同，并且卡槽的宽度均等于vivaldi天线的厚度，使得第一天线单元1和第二天线单元2可稳定卡接。

同时位于卡槽两侧的辐射片可在卡槽两侧分别形成vivaldi结构，从而可避免第一天线单元1和第二天线单元2的vivaldi结构存在重合，也无需破坏其中vivaldi结构的圆形槽331，结构简单，以保证两个正交的天线单元的相位中心一致，并且通过中间金属层的t型功分器可实现天线的差分馈电，以达到抗干扰的目的。

所述vivaldi天线的双开槽vivaldi结构能够在天线e面产生类似平面波的电场，使得天线在工作频段辐射介质板的电场分布更加均匀、集中，天线方向图更为稳定，电场线沿辐射片的第一渐变槽332和第二渐变槽333流动而产生较强的辐射，使得天线单元具备超宽的工作频段，使天线增益得到提高，尤其是在高频段，并且采用的双开槽vivaldi结构,可以有效改善低端驻波，使得天线具有良好的高频交叉极化电平，并且具有较高的隔离度，天线性能优越。

并且采用双开槽vivaldi结构使得天线结构简单，具有体积小、加工精度高、相位一致性良好的特点。

此外，在侧边辐射片32设置的加载槽7，可使电流集中在第一渐变槽332和第二渐变槽333的附近流动，从而使能量更好地辐射出去以实现天线的超宽带设计，同时还能降低天线在低频的回波损耗，使天线阻抗匹配效果最佳。

结合图4和图5，本发明的双极化探头采用全波电磁仿真软件进行了性能仿真，图4为天线端口之间的隔离度仿真结果图，可见在频率为4ghz-6.5ghz之间，本发明的高频极化隔离度最大可达48db,而经过中间金属层的t型功分器的端口耦合隔离度s21基本在40db以下。

为了表征本发明探头的辐射特性，选择xoy平面和yoz平面这两个主平面，图5给出两个主平面内的辐射增益曲线，以得到本发明6ghz时的辐射特性，其中，仿真结果可以看出，该天线在两个极化端口上均表现出宽波束方向图性能，在主波束范围内，辐射场近似为线极化，但是方向图表现出一定的不对称性；该天线的两个极化端口能够分别感知两个电磁场极化分量，可以实现双极化宽带的工作性能。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。