一种方向图对称的vivaldi天线阵列的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天线阵列，尤其是vivaldi天线阵列。
【背景技术】
[0002]指数锥削槽天线是一种端射式行波天线，也叫做vivaldi天线，由于其具有宽频带、对称的E面H面方向图、中等增益、重量轻、易于与微波电路集成等特点，因而被广泛应用于超宽频带无线通信系统、宽频带相控阵雷达和射电天文等领域。但是微带馈电的指数锥削槽天线辐射臂电流不对称，交叉极化和高次模式的激发，将引起方向图的显著畸变，而导致某些角度上的增益出现显著波动和天线方向图不对称特性。这种缺陷严重影响了vivaldi天线的角度扫描阵列的大空域覆盖，宽角度扫描的能力。对于构成超宽带极化分集阵列是非常不利的，而且对于采用超宽带宽角度扫描阵列天线的现代雷达是极为不利的，严重的降低了雷达的目标分辨力，电子对抗能力及抗反辐射导弹的能力。
[0003]传统的解决E面辐射场不对称的办法是使耦合槽线部分足够长，即微带线一槽线耦合部分到天线渐变部分足够长，使耦合产生的高次模在电流传输过程中辐射出去，但是过长的槽线使天线的体积增大，并且馈电也有不对称性引起的辐射不对称。有学者提出采用带状线馈电的平衡互补锥削槽，但由于其辐射臂不对称性，在高频端E面方向图也有显著的不对称性，且相对微带馈电复杂。现有技术也对BAV天线进行了改进，采用平衡馈电方式，对方向图对称有了提高，但是天线位于介质板两侧，因此辐射臂不对称导致电场有不对称性，且这种馈电方式具有交叉极化大的缺点，方向图仍有不对称性。传统vivaldi天线阵，采用上述天线作为天线阵列单元时，都是以相同方式摆放天线单元，相同相位对天线馈电，所以，天线电流对于天线阵列中心是不对称的，所以方向图具有不对称特性，因此本发明提出一种新的方案来解决vivaldi天线阵列方向图不对称问题。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决天线组成天线阵因辐射臂不对称，辐射臂电流不对称而引起的辐射方向图不对称的问题，采用了对称辐射臂，用微带线对天线阵列进行馈电，将每列线阵印刷在一片介质基板上，辐射臂具有对称特性，使相邻两片渐变槽阵列旋180度相对放置，并对相邻两片阵列进行反相馈电，实现了端射vivaldi阵列E面方向图的对称。此外，具有偶数个阵元对称放置的阵列都可以采用此方法实现方向图对称。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括两部分:阵列馈电和阵列天线辐射臂的设计以及阵列安装及馈电方式设计。
[0006]阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，一分八T型功分器采用了三级一分二 T型节，每级的输入端口的特性阻抗为50 Ω，输出端口的特性阻抗为100 Ω，通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过软件HFSS调节各级联功分线宽及长度，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。
[0007]阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，将单元的辐射臂按小于工作波长的间距刻蚀在同一片介质板的同侧，单元间相互连接，沿着介质板的一个直线方向排列，因此天线辐射臂组成一个整体金属层，将馈电网络刻蚀在介质板另一侧，馈电网络的8个输出端口与对侧的天线中心8个辐射臂位置一一对应，使8个中心辐射臂能够主动发射电磁波。
[0008]阵列安装及馈电方式是将其中一列天线阵列旋转180度，此时两个微带馈线相对，两个馈电端口左右相对，用魔T对两个端口进行等幅反相馈电。
[0009]本发明的有益效果是:由于采用单元辐射臂不对称进行设计，化弊为利，馈电网络简单，设计简便，利用阻抗变换原理即可设计出功能优良的宽带馈电网络。本发明采用了旋转和反向馈电后，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，由于在其他方向电场的极化相消，旋转后的阵列的侧向辐射也有明显减小。仿真和实测结果都表明反向馈电比通常的同向馈电最大增益提高l_2dB，由于在其他方向电场的极化相消，旋转后的阵列的侧向辐射、后向辐射也有明显减小。
【附图说明】
[0010]图1是vivaldi的阵元即单个天线俯视图，其中M为阵元的宽度，N为阵元的长度。
[0011]图2是馈电网络的俯视图，其中A代表传输线阻抗为50 Ω时的宽度，B代表传输线阻抗为100 Ω的宽度，port代表馈电输入端口。
[0012]图3是印刷Vivaldi天线阵列的天线福射臂俯视图。
[0013]图4是8乘I阵列侧视图，其中K指介质版的厚度，I代表介质层，II代表天线辐射臂层，III代表馈电网络层。
[0014]图5是8乘2阵列的正面侧视图，其中portl和port2分别指两个阵列的馈电输入端口。
[0015]图6是8乘2阵列的垂直面侧视图，其中G是指两个8乘I阵列间距。
[0016]图7是天线阵实测回波损耗SI I。
[0017]图8是本发明天线阵列与传统天线阵同侧同相馈电天线阵方向图对比图，其中(a)是12GhHz时E面方向图对比图，(b)是16GhHz时E面方向图对比图，(c)是12GhHz时H面方向图对比图，(d)是16GhHz时H面方向图对比图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0019]天线阵列方向图不对称的原因有两个:1、微带线到平衡的槽线辐射臂两端馈电，导致辐射臂两端电流大小不一致，这是最主要的原因；2、微带馈线本身的辐射问题。所以本发明的设计关键点在于使得天线阵列辐射臂电流相对于阵列中心对称。由于vivaldi单元的电场方向在两个渐变槽之间，经过反相馈电和旋转180度，两个vivaldi阵列电场的极化方向仍然相同，但是辐射臂的电流相对于天线阵列中心是对称的，所以辐射臂电流不对称问题引起方向图不对称因素得以解决。由于微带线部分也有辐射电场，经过旋转和反向馈电后，对称结构的高次模式辐射相消，有利于有效能量集中辐射，使得天线增益有显著提高，阵列主辐射方向增益升高l_2dB。
[0020]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括两部分:阵列馈电和阵列天线辐射臂的设计以及阵列安装及馈电方式设计。
[0021]阵列馈电部分由多级渐变线功分器构成，一分八T型功分器采用了三级一分二 T型节，每级的输入端口的特性阻抗为50 Ω，输出端口的特性阻抗为100 Ω，通过指数型连续阻抗渐变线进行多级阻抗变换，通过软件HFSS调节各级联功分线宽及长度，实现在8GHz—18GHz宽频带内的阻抗匹配。
[0022]阵列天线辐射臂部分是采用共面的指数线辐射臂，将单元的辐射臂按小于工作波长的间距刻蚀在同一片介质板的同侧，单元间相互连接，沿着介质板的一个直线方向排列，因此天线辐射臂组成一个整体金属层，将馈电网络刻蚀在介质板另一侧，馈电网络的8个输出端口与对侧的天线中心8个辐射臂位置一一对应，使8个中心辐射臂能够主动发射电磁波。
[0023]阵列安装及馈电是将其中一列天线阵列旋转180度，此时两个微带馈线相对，两个馈电端口左右相对，用魔