具有小型化尺寸的高增益Vivaldi天线单元的天线阵列的制作方法

本实用新型涉及一种超宽带天线。

背景技术：

现代化雷达和通信系统对多功能设备的需求越来越迫切，小型化的超宽带天线在天线设计领域得到了越来越高的重视。Vivaldi天线是超宽带天线的一种，理论上有无限宽的带宽，而且具有良好的端射特性。但是Vivaldi天线单元尺寸要求达到低频端截止频点的半波长，而以往采用加载技术进行的小型化天线设计需要付出增益的代价，因此在实际应用中迫切的需要一种具有小型化尺寸的高增益天线单元。

文献1(P.J.Gibson,“The Vivaldi aerial,”in Proc.9th Eur.Microw. Conf.,Brighton,U.K.,pp.101–105,Jun.1979.)提出了Vivaldi天线，说明了Vivaldi天线的宽带特性，并验证了Vivaldi天线具有很好的端射辐射特性，而且从理论上解释了Vivaldi天线具有无限宽的带宽，有着极大地应用前景。

文献2(Madannezhad,A.,Ameri,H.,Sadeghi,S.,&Faraji-Dana,R.A miniaturized Vivaldi antenna with modified feeding structure for UWB applications”.International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics(pp.1-3),2016.)提出通过改变馈电结构能够有效改善天线的低频段匹配特性，使天线获得小型化尺寸。

文献3(Zihao Liu,Yongzhong Zhu,Jian Zhou,“Improved design of vivaldi antenna with loading resistance for wideband applications,”IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,pp(99),286-289.)通过加载电阻的方法实现了天线的小型化设计，但是加载电阻增加了损耗，导致天线的增益比较低。

由上可知，Vivaldi天线比较容易在超宽带范围内实现良好的辐射特性，但是现有技术实现小型化Vivaldi天线具有损耗高、增益低等缺点，本实用新型为天线小型化设计提供了一种新思路。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型提供了一种具有小型化尺寸的高增益Vivaldi天线单元的天线阵列，该天线为可用于超宽带频段的小型化雷达天线，能够实现在在宽频带上保持高增益；该天线阵列更好地利用天线的体积以实现覆盖空间最大化。

实用新型内容：一种具有小型化尺寸的高增益Vivaldi天线单元，该天线单元包括上层PCB介质板和下层PCB介质板，上层PCB介质板和下层PCB介质板通过工装固定，两层介质板内表面设置有带状线，在带状线到微带线过渡处的传输线两边开设有偶数对对称分布的贯穿PCB板的金属化过孔，金属化过孔内安装有圆形金属贴片，圆形金属贴片直径大于金属化过孔；所述金属化过孔和圆形金属贴片有偶数对且对称分布于传输线两边。上层PCB介质板的外表面印刷指数型槽缝隙金属层，金属层的指数型槽缝隙底端为谐振腔，金属层两侧翼有半椭圆形开槽，下层PCB介质板外表面印有和上层PCB介质板外表面相同的金属层。

上、下两层介质板上的金属层侧翼的半椭圆形开槽能够改变电流沿边缘的路径，由直线距离延展成为曲线距离，增加了电流路径，能够在低频处增加一个谐振点，使得低频的截止频率更低，由于Vivaldi天线的尺寸一般为低频截止频率波长的一半，所以在同样尺寸条件下能够获得更低的截止频率可以说是实现了天线的小型化设计。由于天线小型化比例与半椭圆形开槽的弧线长度相关，若需要进一步缩小天线体积，可以通过增加椭圆半径等方式增加半椭圆形开槽的弧线长度，进一步降低新增谐振频点的频率，达到更加小型化的目的。

利用上述具有小型化尺寸的高增益Vivaldi天线单元不等距排布形成天线阵列，最大阵元间距与最小阵元间距之间的比例不超过天线的倍频程；所述天线阵列方位维为1个单元，俯仰维4个单元，天线单元间距分别为179mm、36mm和30mm。

本实用新型所提供的天线阵列由上述天线单元组成，通过对单元的设计完成驻波带宽的要求，通过调整阵间距完成波束宽度的要求，为了更好的利用天线的体积以实现覆盖空间最大化，天线阵列采用不等距布阵。考虑到实际工作环境需求，方案设计的阵面可采用对单元分别馈电。并考虑安装需求将天线介质版进行了切削，并将馈电端口设置到了侧面。

有益效果：本实用新型所公开的天线单元在同样尺寸条件下能够获得更低的截止频率，实现了天线的小型化设计，并且拥有良好的电压驻波比和高增益，天线的辐射特性稳定。天线的馈电结构由带状线过渡到微带线，方便工程化应用，且集成度高，成本低，便于大规模加工生产。

本实用新型公开的天线阵列能够更好地利用天线的体积以实现覆盖空间最大化。

附图说明

图1为本实用新型中Vivaldi天线单元的立体图；

图2为本实用新型中Vivaldi天线单元的主视图；

图3为本实用新型中Vivaldi天线单元的仰视图；

图4为本实用新型中Vivaldi天线单元的分层结构图；

图5为本实用新型中天线阵列的排布图；

图6为本实用新型天线单元反射系数和增益曲线图；

图7为本实用新型天线单元11GHz下辐射方向图；

图8为本实用新型半椭圆型开槽金属层结构的天线单元与传统天线单元效果对比图。

具体实施方式

如图1～4所示一种具有小型化尺寸的高增益Vivaldi天线单元，该天线单元包括上层PCB介质板1和下层PCB介质板2，两层PCB介质板采用工装固定，上层PCB 介质板1和下层PCB介质板2均选用Arlon DiClad880介质板材，整体尺寸为 48mm*60mm的矩形，其介电常数εγ＝2.2,损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度 H＝0.79mm；两层介质板内表面设置有带状线5，在带状线5到微带线过渡处的传输线两边对称分布有偶数对对称分布的贯穿PCB介质板板的金属化过孔7，金属化过孔7为圆周内侧刷有一层金属层的通孔，金属化过孔7内安装有圆形金属贴片8，其中，圆形金属贴片8的直径为0.7mm,金属化过孔7的直径为0.3mm；两层PCB介质板的外表面印刷有形状相同的指数型槽缝隙金属层3，金属层3指数型槽缝隙底部为圆形谐振腔4，圆形谐振腔4直径Dr＝4.8mm；金属层3的指数型槽缝隙从圆形谐振腔4处向外呈指数型延展开，指数线开槽宽度W1＝44.8mm；金属层3两侧翼开设有弧形开槽6，该弧形开槽6具体为半椭圆形，侧翼椭圆槽的长度 L1＝40mm。

在实际应用中，金属化过孔7和圆形金属贴片8大小可以调整，通过调整两者的大小可以进一步调整传输线本身的阻抗。

对于金属层3两侧翼开设的弧形开槽6，该开槽设计为椭圆形使得电流路径增长，能够在低频处增加一个谐振点，使得低频的截止频率更低，实现天线的小型化设计。如图8所示，本实施例提供的天线单元相较于传统的天线单元而言在同样尺寸条件下可获得更低的截止频率，相当于在相同的截止频率下其体积可缩小 15％左右。

如图5所示，天线阵列整体采用不等距离布阵，可以更好地利用天线的体积以实现覆盖空间最大化。阵列单元间距为D1＝179mm，D2＝36mm，D3＝30mm，单元宽度为W1(加金属槽)＝60mm,即0.4λ(2GHz下)，单元长度为L1＝60mm，即0.4λ (2GHz下)。阵列的方位维为1个单元，俯仰维4个单元，故阵列的横向尺寸*纵向尺寸为260mm*60mm。结合图6，本实用新型的一种具有小型化尺寸的高增益 Vivaldi天线单元的阵列，VSWR低于2.2:1的工作频带为2.2GHz～19GHz，倍频程为 8.6:1，最大增益可以达到13dBi。不等距布阵的阵元间距比例根据总体方向图的特性进行调整，一般最大阵元间距与最小阵元间距之间的比例不超过天线的倍频程，本次设计中采用了6:1.2:1的阵元间距。