基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线。

背景技术：

随着第五代移动通信技术(5G)的研究进展，毫米波频段作为新的频谱资源已经得到越来越高的重视。Vivaldi天线由于宽带、高增益以及低交叉极化等优势在雷达、通信以及电子对抗等领域扮演着愈加重要的角色。随着平面集成电路的发展，低剖面、易集成、低成本的印刷Vivaldi天线阵列成为了当下的研究热点。将Vivaldi阵列天线应用于毫米波频段之中有着重要意义。

在毫米波频段中，传统的基于微带线结构的天线阵列，由于其馈电网络处于辐射状态，不但产生较大的传输损耗，也会产生不希望的辐射；而对于带状线结构的天线阵列，其传输线虽处于屏蔽状态，但馈电网络较为复杂，需要多层结构，加工成本比较高昂。除此之外，根据Vivaldi天线的辐射原理，Vivaldi天线要拓展其阻抗带宽，必须增加辐射单元的指数渐变长度以延长电流路径，这与天线的小型化需求产生了矛盾。

基片集成波导(SIW)是具有低插损、低辐射的新型导波结构，由介质基片上的金属化通孔阵列制成，制成的毫米波部件具有高Q值，高功率容量和易集成的优点。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种可以拓展天线带宽和提高天线增益的基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线。

为了实现本实用新型的目的，所采用的技术方案是：基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线，包括微带SIW转换结构、基于SIW的一分八功分器和八个Vivaldi天线单元，微带SIW转换结构将馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，基于SIW的一分八功分器将SIW传输段的电磁波均匀传输至八个Vivaldi天线单元，SIW转换结构包括微带线、微带渐变线和SIW传输段，微带线和SIW传输段通过微带渐变线连接，基于SIW的一分八功分器包括金属层和感性金属通孔，Vivaldi天线单元包括Vivaldi辐射单元、第一锤形槽和第二锤形槽，第一锤形槽和第二锤形槽均开设在Vivaldi辐射单元上。

作为本实用新型的优化方案，Vivaldi天线单元还包括第一重叠区和第二重叠区，相邻Vivaldi辐射单元正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区，单个Vivaldi辐射单元金属层重叠的区域为第二重叠区。

作为本实用新型的优化方案，微带SIW转换结构还包括金属地，金属地位于介质板的背面，微带线和微带渐变线位于介质板的正面，SIW传输段包括SIW金属层和SIW金属通孔，SIW金属层分别覆盖在介质板的正面和背面，SIW金属通孔排布在SIW金属层的两侧。

作为本实用新型的优化方案，介质板的厚度为0.254mm。

本实用新型具有积极的效果：1)本实用新型可以覆盖38.4–45.6GHz频段，Vivaldi天线单元本身具有高增益的优势，本实用新型采用八个Vivaldi天线单元组成阵列更是进一步提高了天线的增益，同时减小了E面波束宽度；

2)本实用新型相邻Vivaldi辐射单元正面金属层和背面金属层重叠的区域第一重叠区和单个Vivaldi辐射单元金属层重叠的区域第二重叠区，第一重叠区起到了电容加载的作用，改变天线的输入电抗，向低频方向拓展了天线带宽；第二重叠区则可实现馈电网络与天线单元之间的阻抗匹配作用；

3)本实用新型的第一锤形槽和第二锤形槽使得Vivaldi天线单元上的表面电流路径弯曲，增加了辐射单元的有效长度，向低频方向拓展了天线的阻抗带宽；同时，锤形槽向内的延伸避免了对相邻辐射单元的电容加载产生影响，使得天线最终取得良好的带宽特性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的正面结构图；

图2是本实用新型的背面结构图；

图3是微带SIW转换结构的结构图；

图4是基于SIW的一分八功分器的结构图；

图5是Vivaldi天线单元的结构图；

图6是本实用新型的仿真与实测的回波损耗图；

图7是本实用新型的仿真与实测的带内增益图；

图8是本实用新型仿真与实测的E面(YOZ面)方向图；

图9是本实用新型仿真与实测的H面(XOZ面)方向图；

其中：1、微带SIW转换结构，2、基于SIW的一分八功分器，3、Vivaldi天线单元，4、介质板，11、微带线，12、微带渐变线，13、SIW传输段，14、金属地，21、金属层，22、感性金属通孔，31、Vivaldi辐射单元，32、第一锤形槽，33、第二锤形槽，131、SIW金属层，132、SIW金属通孔，34、第一重叠区，35、第二重叠区。

具体实施方式

如图1-5所示，本实用新型公开了一种基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线，包括微带SIW转换结构1、基于SIW的一分八功分器2和八个Vivaldi天线单元3，微带SIW转换结构1将馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，基于SIW的一分八功分器2将SIW传输段的电磁波均匀传输至八个Vivaldi天线单元3，微带SIW转换结构1包括微带线11、微带渐变线12和SIW传输段13，微带线11和SIW传输段13通过微带渐变线12连接，基于SIW的一分八功分器2包括金属层21和感性金属通孔22，Vivaldi天线单元3包括Vivaldi辐射单元31、第一锤形槽32和第二锤形槽33，第一锤形槽32和第二锤形槽33均开设在Vivaldi辐射单元31上。其中，微带SIW转换结构1将由微带线11馈入的电磁波转换为SIW传输段的电磁波，微带渐变线12可以有效降低从微带线11到SIW传输段13的回波损耗，提高能量传输效率。

Vivaldi天线单元3还包括第一重叠区34和第二重叠区35，相邻Vivaldi辐射单元31正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区34，单个Vivaldi辐射单元31金属层重叠的区域为第二重叠区35。

微带SIW转换结构1还包括金属地14，金属地14位于介质板4的背面，微带线11和梯形微带渐变线12位于介质板4的正面，SIW传输段13包括SIW金属层131和SIW金属通孔132，SIW金属层131分别覆盖在介质板4的正面和背面，SIW金属通孔132排布在SIW金属层131的两侧。其中，介质板4的厚度为0.254mm，介质板4为Taconic TLY-5介质板。微带线11为特性阻抗为50欧姆的微带线。金属层21覆盖在介质板4的上下表面。

基于SIW的一分八功分器2将电磁能量均匀传输至八个Vivaldi天线单元3，感性金属通孔22和介质板4两侧所覆盖的金属层21构成波导结构，使电磁能量只能沿着通道传输而不产生逸散；为改善功分器在目标频带内的回波损耗和插入损耗，可通过调节基于SIW的一分八功分器2内部关键位置处的感性金属通孔22的半径与位置来实现。第一锤形槽32和第二锤形槽33使得Vivaldi天线单元3上的表面电流路径弯曲，增加了辐射单元的有效长度，向低频方向拓展了天线的阻抗带宽。由于Vivaldi辐射单元31末端开口较宽，相邻Vivaldi辐射单元31正面金属层和背面金属层重叠的区域为第一重叠区34，这在一定程度上起到了电容加载的作用，改变了天线的输入电抗，拓展了低频带宽；与此同时，单个Vivaldi辐射单元31金属层重叠的区域为第二重叠区35。这种金属层的重叠进一步提高了天线与馈电网络之间的阻抗匹配效果。

图6是基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线的仿真与实测的回波损耗图，可以看出较之于仿真结果，实测回波损耗向低频与高频处均有一定的带宽拓展，且带内回波损耗均小于-10dB；图7是基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线仿真与实测的带内增益图，可以看出仿真与实测增益吻合度较高，在相同频点处相差不超过0.3dB，且随频率升高而总体呈上升趋势；图8是基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线仿真与实测的E面(YOZ面)方向图，可以看出天线的E面交叉极化分量比主极化分量低15dB，符合系统的应用需求；图9是基于SIW结构的毫米波宽带Vivaldi阵列天线仿真与实测的H面(XOZ面)方向图，可以看出天线的H面交叉极化分量比主极化分量低12dB，符合应用需求。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。