一种宽带高增益双开槽Vivaldi天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，尤其设及一种宽带高增益双开槽Vivaldi天线。
【背景技术】
[0002] 渐变开槽天线(Tapered slot antenna,TSA)是一种典型的表面波端射天线。它依 靠蚀刻在介质板上的渐变槽线实现慢波效应，并在传输电磁波的过程中通过逐渐张开的槽 线福射能量。渐变开槽天线在很宽的频带内具有良好的端口匹配、稳定的增益、宽度相近且 对称的E面H面方向图、重量轻、易于加工及集成等优点，因而被广泛应用于射电天文、探地 雷达、超宽带通信、超宽带成像等领域。渐变开槽天线的槽线结构，主要有=种典型的形式： 指数渐变开槽天线化邱onentially 1:apered slot antenna,ETSA)，也叫Vivaldi天线；线 性渐变开槽天线化inearly tapered slot antenna,LTSA);宽度不变槽天线（Constant width slot antenna,CWSA)。在运S种传统的渐变开槽天线中，ETSA带宽最宽，LTSA次之， CWSA最窄；CWSA具有最高增益，最窄波束，LTSA次之，ETSA增益最低，波束最宽。可见，ETSA， 也就是Vivaldi天线更符合现代天线对宽带宽的要求，但是，如何在全工作频带范围内提高 Vivaldi天线的福射增益就成为天线工程师们面临的一个重要问题。
[0003] Vivaldi天线是渐变开槽天线中的非频变天线，具有最宽的频带，最稳定的福射特 性，但也有相对较低的福射增益。此外，在利用印制板技术实现时，介质板材料的影响会导 致天线高频处的波束分裂。
[0004] 提高Vivaldi天线福射增益的技术基础在于改善其槽线的口径场分布。 R.N.Simons和R.Q丄ee最早在1998年讨论了在渐变开槽天线前端利用不同形状介质块对天 线口径场的改善情况，并研究了相应天线的增益变化，运种介质块被称为介质"引向器"， 其功能等同于简单的介质透镜。在运一思想基础上，很多研究人员针对不同的应用要求设 计出了各种形状和介电常数变化的介质"引向器"。另一种方法是伴随着超材料的研究出现 的，研究人员通过在渐变开槽天线的槽线口径内放置零折射率超材料结构，进而改善天线 的口径场分布，提高天线的增益。运是目前用W提高Vivaldi天线福射增益的两种主要方 法，在下面的现有技术方案中将详细阐述。
[0005] 文南犬('N.Ghassemi ,and K.Wu.Planar High-Gain Dielentric-Load Antipodal Linearly Tapered Slot Antenna for E-and W-band Gigabyte Point-to-Point Wireless Services[J]. IEEE Trans .Antennas&Propagat.,2013,61(4),:1747-1745"; ('G.Teni ,N.Zhang, J.H.Qiu,et al.Research on a Novel Miniaturized Antipodal Vivaldi Antenna with Improved Raidation[J]. IEEE Antennas Wireless Propag 丄 ett. ,2013,12:417-420" ; ('R.N.Simons,and R. Q. Lee . Impedance Matching of Tapered Slot Antenna Using a Dielectric Transformer!!J] .Electron Lett. , 1998,34 (24):2287-2289";"K.Kota,and L.Shafai.Gain and Radiation Pattern Enhancement of Balanced Antipodal Vivaldi Antenna[J].Electron Lett.,2011,47(5):303-304:采 用的方法是利用介质"引向器"提高Vivaldi天线的福射增益。运种介质"引向器"可W像透 镜一样改善槽线口径内或槽线口径外侧附近的电场波前，使之接近平面波的波前分布，从 而实现远场福射的高增益。通过改变口径场分布的方式提高福射增益的根本途径，也是提 高Vivaldi天线增益的有效方法。介质"引向器"的使用需要突出的介质前端，或直接在口径 内外加载高介电常数的介质块，运种设计虽然能在较宽的频带范围内提高天线的增益，却 增加了天线的体积，设计也更加复杂。
[0006] 文南犬('B.Zhou,and T.J.Cui .Directivity Enhancement to Vivaldi Antennas Using Compactly Anisotropic Zero-Index Metamaterials[J]. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. , 2011,10 : 326-329'' ；（'M. Sun, Z .N. Chen ,and X .M. Qing. Gain Enhancement of 60-GHz Antipodal Tapered Slot Antenna Using Zero-Index MetamaterialU]. IE趾 Trans.Antennas&Propagat. ,2013,61(4): 1741-1746"通过在 Vivaldi天线的槽线内设计零折射率超材料结构提高天线的福射增益。研究人员将零折射 率超材料放置于槽线口径内或加载于槽线口径两侧，利用零折射率超材料的零折射特性减 小槽线中屯、处电场的相速度，使之在到达槽线末端时具有和槽线两侧电场相近的相位，形 成了类似平面波的均匀波前分布，远场福射增益得到提高。零折射率超材料的设计复杂性 甚于介质"引向器"，更重要的是，零折射率超材料只能在较窄的频带范围内实现零折射工 作，因而，利用零折射率超材料提高Vivaldi天线的增益难W满足宽带要求。
[0007] 文献S.Sugawara,Y.Maita,and K.Adachi ,et al .A mm-Wave Tapered Slot Antenna with Improved Radiation Pattern[C]. IEEE MTT-S International Symposium Digest, 1997:959-962研究了在渐变开槽天线边缘蚀刻一系列矩形槽缝对天线性能的影 响，运种处理形成了波纹边缘结构，波纹边缘将原来平行于天线轴向的边缘电流婉艇曲折， 产生与天线轴向垂直的电流，而且电流福射电场的方向与槽线中的电场同向，在天线轴向 形成有效福射，进而改善渐变开槽天线的福射性能，特别是边缘电流较强的较低工作频率。 实验证明，对渐变开槽天线边缘的波纹处理越充分，渐变开槽天线的低频匹配和福射性能 越好。
[0008] 利用介质"引向器"提高Vivaldi天线的福射增益需要使用突出的介质前端，或直 接在口径内外放置高介电常数的介质块，运种设计虽然能在较宽的频带范围内提高天线的 增益，却增加了天线的体积，设计也更加复杂，成本也很高。利用零折射率超材料改善 Vivaldi天线口径场的设计复杂程度更高，它需要对Vivaldi天线槽线不同位置处得零折射 率结构进行大量的优化计算，才能实现对槽线内口径场分布的良好改善。更重要的是，零折 射率超材料都是窄带结构，只能在很窄的频带范围内提高Vivaldi天线的增益，不能满足 Vivaldi天线的宽带需求。另外，利用传统的矩形槽缝对Vivaldi天线边缘进行波纹处理，需 要利用不同长度的矩形槽缝才能对Vivaldi天线边缘处理充分，不利于渐变开槽天线的建 模设计。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是，提供一种宽带高增益Vivaldi天线新结构--双开 槽结构，可W提高Vivaldi天线全部工作频带内的福射增益。
[0010] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
[0011] 一种宽带高增益双开槽Vivaldi天线包括:介质板，一面具有金属层作为上表面； 双开槽渐变槽线，设置在介质板的上表面上，呈指数形渐变的卿趴状开口；边缘波纹，设置 在介质板上表面上;馈电单元，设置在介质板下表面上，对渐变槽线进行馈电；其中，
[0012]所述双开槽渐变槽线包含上下对称设置的四根指数渐变线，指数渐变线的参考坐 标系如下:x轴与介质板长边平行，正向为渐变槽线开口方向；y轴与介质板窄边平行，y轴正 向可为介质板窄边所在直线两方向中的任意方向；坐标系原点位于窄边的对称中屯、与长边 长度的5/24处，长边的较长一边为渐变槽线所在，所述四根指数渐变线的参数方程为：
[0017] 其中，g为双开槽渐变槽线的起始宽度，W为天线的总宽度，L为天线的槽线长度，Ls 为天线中间福射臂的长度，Ws为双开槽渐变槽线两个起始点间的距离；
[0018] 所述波纹边缘由宽度和间距分别为Wce和Sce的指数形槽缝构成，指数形槽缝的边 缘线是利用式(3)、（4)画出，其中，X的取值范围为[L-tce，L]。
[0019] 作为优选，所述馈电单元包括:微带传输线，两个金属化过孔、两个圆形槽;其中， 所述微带传输线包括:一个T形功分器和两段L形微带连接线，微带传输线位于介质板下表 面，用于传输电流，微带传输线与介质板上表面的金属层材料相同；金属化过孔贯穿介质 板，用于连接微带传输线和金属层，将微带传输线上的电流传导至金属层上;两圆形槽与双 开槽渐变槽线相连，用于近似开路槽线。
[0020] 作为优选，所述介质板为厚度为1mm，介电常数为2.65,损耗角正切为0.001的聚四 氣乙締玻璃布板;金属层是粘贴在介质板上的铜薄片，金属层长度为145mm，宽度为80mm，厚 度为 0.018mm。
[0021] 本发明的有益效果如下：
[0022] 本发明Vivaldi天线采用一种新的双开槽渐变槽线结构，与传统的Vivaldi天线结 构相比，该结构在尺寸和工作频带上基本保持不变，并能在整个工作频带范围内显著地提 高天线的福射增益，同时降低了高频处介质板材料对天线福射性能的影响，明显改善了传 统Vivaldi天线的波束分裂现象;采用了一种新的波纹边缘，构成运种波纹边缘的槽缝和渐 变开槽天线的槽线拥有相同的变化方式，Vivaldi天线的运种波纹边缘是由指数变化的槽 缝构成的，运种波纹边缘能够对渐变开槽天线的边缘进行充分的波纹处理，能够更好地改 善天线的低频性能。
[0023] 1、与利用介质"引向器"提高Vivaldi天线增益相比，本发明结构简单，成本较低， 效果更好。
[0024] 2、与利用零折射率超材料提高Vivaldi天线增益相比