一种Vivaldi天线的制作方法

一种vivaldi天线
技术领域
1.本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种vivaldi天线。


背景技术：

2.vivaldi天线由于具有简单、合适的方向性、宽的频带，在阵列中作为辐射要素具有很大的潜力，可以用于高频场合。vivaldi天线被广泛应用于各种电子测量系统当中，用来发现电磁干扰，监视有用的信号，传输和接受短脉冲。另外由于vivaldi天线组成的单极化，双极化阵列以及相控阵也有它的优点，在军事上用vivaldi天线组成的相控阵可以用来接受来自不同方向不同频率的极化方式不一样的各种电磁信号，这种阵列还被用在射电天文，遥测遥感等各种宽带测量系统以及多波束卫星通信系统和空间功率分配技术当中。
3.馈电对于任何天线都是非常重要的组成，如果馈线的反射过大或者带宽不足，那么带宽再宽的天线也不能发挥其作用。vivaldi天线的阻抗带宽主要是横向尺寸和指数线的起始部分决定的，一般的vivaldi天线的馈电方式主要有三种：槽线馈电、微带耦合馈电和共面波导馈电。但是在微波射频频段内，会引入介质损耗，导致天线方向图畸变、辐射效率和增益降低，不利于提升电子战、雷达系统探测性能。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种vivaldi天线，可以提高天线的辐射性能，改善天线的低频驻波。
5.根据本实用新型提供的一种vivaldi天线，包括阵列排布的多个天线单元，其中的每个天线单元包括：
6.导电板，形成有第一导电结构、第二导电结构，以及与第一导电结构连通的第三导电结构，且该第一导电结构、第二导电结构和该第三导电结构各自的一部分围成谐振腔体，
7.并且，该第一导电结构靠近导电板上部的内侧边缘与该第二导电结构靠近导电板上部的内侧边缘之间形成自下而上宽度逐渐增大的辐射缝隙，该辐射缝隙关于导电板的下部中心竖直向上延伸的中心线呈轴对称。
8.优选地，每个天线单元还包括：
9.导电条，与前述导电板馈电连接，该导电条的轴线与该导电板的下部中心竖直向上延伸的中心线重合。
10.优选地，前述导电条穿过前述导电板的下部中心，沿该中心线穿过第二导电结构与前述第三导电结构电连接。
11.优选地，前述第三导电结构与第二导电结构相邻近部分的边缘形状相匹配。
12.优选地，前述第三导电结构与第二导电结构相邻近部分的边缘间隔相同。
13.优选地，前述第一导电结构靠近导电板上部的内侧边缘的截面形状为第一渐变线，前述第二导电结构靠近导电板上部的内侧边缘的截面形状为第二渐变线，该第一渐变线与该第二渐变线关于前述中心线对称，
14.其中，该第一渐变线或所或第二渐变线的形状为选自指数曲线形状、斜直线形状、锯齿形状、台阶式渐变形状中的任意一种。
15.优选地，前述谐振腔体的截面形状为矩形或圆形。
16.优选地，前述阵列排布的多个天线单元包括：
17.沿与中心线垂直的方向等间隔排布的多个天线单元。
18.优选地，相邻两个天线单元之间紧密连接，使通过外侧边缘紧密连接的第一导电结构与第二导电结构在导电板上部平滑连接。
19.优选地，前述导电条的截面形状为选自矩形、三角形和圆形中的任意一种。
20.本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种vivaldi天线，包括阵列排布的多个天线单元，每个天线单元包括导电板，而该导电板形成有第一导电结构、第二导电结构，以及与该第一导电结构连通的第三导电结构，且该第一导电结构、第二导电结构和该第三导电结构各自的一部分围成谐振腔体，可以利用改变该谐振腔体不同的形状及尺寸来调节天线在低频的驻波；
21.对于导电板，位于该导电板上的第一或第二导电结构在靠近导电板上部的内侧边缘的截面形状为第一或第二渐变线，且该第一和第二渐变线关于导电板的中心线对称，而对于每条渐变线可以采用不同的函数曲线以获得天线稳定的辐射性能；
22.对于利用导电材料一体成型形成天线单元，相对比传统的vivaldi天线的加工方式，会使得天线更加稳定，由于传统的vivaldi天线的焊接方式不同会导致单元之间的不一致性，这就会导致天线的驻波比变差，同时阵列增益由于天线单元之间的不一致性而导致增益有所下降与抖动，无法平滑，而本实用新型提供的天线通过相邻天线单元紧密连接，实现了单元之间的连接阵列，同时在导电板底部中心采用同轴馈电，使得天线的稳定性得到加强，也更进一步的提高了天线的可靠性。
附图说明
23.通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
24.图1示出本实用新型提供的一种vivaldi天线的立体结构示意图；
25.图2示出图1中天线的俯视结构的平面示意图；
26.图3示出图2中天线的天线单元的平面结构示意图；
27.图4a示出图3中天线的天线单元的尺寸示意图；
28.图4b示出天线中位于靠近导电板上部的内侧边缘的指数渐变线的模型示意图；
29.图5示出图1中天线的驻波比的测试曲线示意图；
30.图6示出图1中天线响应于6ghz的工作频率时在e面不同方向(phi)角的增益曲线图；
31.图7示出图1中天线响应于6ghz的工作频率时在h面不同方向(theta)角的增益曲线图；
32.图8示出图1中天线响应于9ghz的工作频率时在e面不同方向(phi)角的增益曲线图；
33.图9示出图1中天线响应于9ghz的工作频率时在h面不同方向(theta)角的增益曲
线图；
34.图10示出图1中天线响应于15ghz的工作频率时在e面不同方向(phi)角的增益曲线图；
35.图11示出图1中天线响应于15ghz的工作频率时在h面不同方向(theta)角的增益曲线图；
36.图12示出图1中天线响应于18ghz的工作频率时在e面不同方向(phi)角的增益曲线图；
37.图13示出图1中天线响应于18ghz的工作频率时在h面不同方向(theta)角的增益曲线图。
具体实施方式
38.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
40.下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。
41.图1示出本实用新型提供的一种vivaldi天线的立体结构示意图，图2示出图1中天线的俯视结构的平面示意图，图3示出图2中天线的天线单元的平面结构示意图。
42.参考图1、图2和图3，本实用新型提供了一种vivaldi天线200，其包括阵列排布的多个天线单元100，每个天线单元100包括有导电板101，所述导电板101形成有第一导电结构110、第二导电结构120，以及与第一导电结构110连通的第三导电结构140，且第一导电结构110、第二导电结构120和第三导电结构140各自的一部分围成谐振腔体130，第一导电结构110靠近导电板101上部的内侧边缘与第二导电结构120靠近导电板101上部的内侧边缘之间形成自下而上宽度逐渐增大的辐射缝隙，该辐射缝隙关于导电板101的下部中心竖直向上延伸的中心线呈轴对称。
43.进一步的，谐振腔体130的截面形状为矩形或圆形。在本实施例中，该谐振腔体130起着天线阻抗匹配的作用。
44.进一步的，第一导电结构110靠近导电板101上部的内侧边缘的截面形状为第一渐变线，第二导电结构120靠近导电板101上部的内侧边缘的截面形状为第二渐变线，该第一渐变线与该第二渐变线关于前述中心线对称，其中，该第一渐变线或该第二渐变线的形状为选自但不限于指数曲线形状、斜直线形状、锯齿形状、台阶式渐变形状中的任意一种。
45.进一步的，每个天线单元100中还包括有导电条210，该导电条210与导电板101馈电连接，该导电条210的轴线与导电板101的下部中心竖直向上延伸的中心线重合。进一步的，导电条210的截面形状为选自但不限于矩形、三角形和圆形中的任意一种。在本实施例中，所述导电条210的截面形状以圆形为例，作为该vivaldi天线200的馈电线，其包括有内导体和围绕至少部分内导体的外导体，该内导体经导电板101的下部中心，竖直向上延伸穿
过导电板101的第二导电结构120与第三导电结构140电连接，该外导体与第二导电结构120相连接。
46.进一步的，在天线单元100中，第三导电结构140与第二导电结构120相邻近部分的边缘形状相匹配，且第三导电结构140与第二导电结构120相邻近部分的边缘间隔相同，如图2和图3所示。具体的，例如第三导电结构140与第二导电结构120相邻近部分的截面形状类似为多段平行线的连接，在本实施例中起到耦合作用，主要影响该vivaldi天线200上电磁波的传输情况。
47.进一步的，阵列排布的多个天线单元100包括：沿与前述中心线垂直的方向上等间隔排布的多个天线单元100。更进一步的，相邻两个天线单元100之间紧密连接，使通过导电板101的外侧边缘紧密连接的第一导电结构110与位于相邻近天线单元中的第二导电结构120在导电板101上部平滑连接，如图1和图2所示。
48.一般为了设计出在微波领域适用的vivaldi天线(介质板上通过印刷技术蚀刻槽线形成)，首先需要设计出满足带宽要求的传输线到槽线的转换部分，使它的反射系数足够低，以更好的发挥天线的宽带性能，然后设计天线的尺寸和形状，使天线的波束宽度，旁瓣电平和后向辐射电平满足要求。而本实用新型利用导电材料(如金属材料)一体成型形成天线单元100，相对比传统的vivaldi天线的加工方式，会使得天线更加稳定。
49.由于传统的vivaldi天线的焊接方式不同会导致单元之间的不一致性，这就会导致天线的驻波比变差，同时阵列增益由于阵列排布的天线单元之间的不一致性而导致增益有所下降与抖动，无法平滑。而本实用新型的实施例提供的vivaldi天线200中阵列排布的相邻两个天线单元100之间紧密连接，使通过导电板101外侧边缘紧密连接的第一导电结构110与第二导电结构120在导电板101上部平滑连接，整体上使得天线的稳定性加强，同时提高了天线的可靠性。
50.图4a示出图3中天线的天线单元的尺寸示意图，图4b示出天线中位于靠近导电板上部的内侧边缘的指数渐变线的模型示意图。
51.在图4a所示的天线单元100中，a为指数渐变线起点的宽度，也是该渐变线下部第一导电结构110和第二导电结构120、第三导电结构140与第二导电结构120各自相邻近部分的内侧边缘的间距，c为第一渐变线段与第二渐变线段的外侧开口的宽度，在本实施例中也是该导电板101的宽度，g为导电板101指数渐变线部分的长度，b为导电板101的整体尺寸长度，f为谐振腔体130的长度，e为谐振腔体130的宽度，d为导电条210的尺寸(例如其截面为圆形时，d为直径)。
52.一般地，参考图4b，根据gibson提出的vivaldi天线指数模型公式：
53.y＝
±
(c1*e
rx
+c2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
54.在图4b中，以上侧渐变线段与下侧渐变线段起点之间的中心点为原点构建直角坐标系，x为指数渐变线上各点对应的x坐标，表示指数渐变线上的点到纵轴y轴的距离，纵轴即为y，为指数渐变线上各点的y坐标，指数因子r为指数函数的渐变率，c1和c2为系数。
55.在公式(1)中，指数因子r决定了天线的波束宽度，在x较大时，指数曲线的截断处应该能使天线工作频带范围内的导波辐射出去，而在x较小时，天线中的导波的能量会被束缚在天线的导体之间。天线低频端的截止波长一般为槽线最大宽度(类比于本实施例中的所述第一渐变线和所述第二渐变线在垂直于中心线的直线上相交两点间的距离)的2倍，而
天线的高频段的特性则受到槽线最窄处宽度的限制。
56.天线的阻抗带宽主要是横向尺寸和指数线的起始部分决定的。参考图4a，在设计阶段本实用新型提供的天线一方面可以通过调整距离a、b和c以改变天线的指数渐变曲线，通过仿真结果判断以获得良好的天线辐射性能，在使天线的工作带宽不再受到槽线宽度的限制的同时，稳定天线方向图特性。
57.此外，第一渐变线和第二渐变线对该天线上的电磁波的辐射起引导作用。该天线上的电磁波在导电板101上是沿着指数渐变线(所述第一渐变线和所述第二渐变线)内侧边缘进行传播的，然后在第一导电结构110和第二导电结构120上的能量又相互耦合产生辐射，从而是天线单元100在开口方向上的辐射最大，但在高频时，在导电板101的辐射区终端的电流会产生一些绕射波，导致出现部分增益被抵消、有副瓣产生，使辐射特性变差。而通过参数控制(a、b和c)可以使指数渐变曲线(第一渐变线与第二渐变线)边缘过渡平滑，即增大指数渐变线曲率，可以改善这种情况。
58.另一方面，本实用新型利用导电材料(如金属材料)一体成型形成天线单元100，可以使该天线的辐射性能进一步提高。在本实施例中，位于导电板101上的谐振腔体130为矩形，对于该谐振腔体130，可以通过改变其不同的形状及尺寸(e和f)实现阻抗匹配，来调节该vivaldi天线200在低频的驻波。
59.在一种优选的实施方案中，该vivaldi天线200对于导电板101的底部中心的同轴馈电，通过在导电板101的底部中间加入一根导电条210，调节导电条210的直径d(在本实施例中以截面为圆形的导电条为例)不仅可以增加vivaldi天线200的可调节性能，尤其是在低频短的天线增益上，还可以通过加载电阻来改善天线的低频驻波。
60.图5示出图1中天线的驻波比的曲线示意图，如图5所示，在4
‑
20ghz频率范围内，驻波比小于或等于2，主辐射方向为xoz面，e面为yoz面，h面为xoy面，下文关于e面和h面的指代与此相同。
61.参考图6～图13，图6和图7分别示出图1中天线响应于6ghz的工作频率时在e面的不同方向(phi)角和在h面的不同方向(theta)角的增益曲线，图8和图9分别示出图1中天线响应于9ghz的工作频率时在e面的不同方向(phi)角和在h面的不同方向(theta)角的增益曲线，图10和图11分别示出图1中天线响应于15ghz的工作频率时在e面的不同方向(phi)角和在h面的不同方向(theta)角的增益曲线，图12和图13分别示出图1中天线响应于18ghz的工作频率时在e面的不同方向(phi)角和在h面的不同方向(theta)角的增益曲线，整体上天线实现了大带宽、防栅瓣，其辐射效率较高。
62.综上，本实用新型提供的天线具有阵列紧密排布的多个天线单元，每个天线单元中的导电板形成的第一导电结构、第二导电结构，以及与该第一导电结构连通的第三导电结构各自的一部分围成谐振腔体，通过利用改变该谐振腔体的形状及参数来调节天线在低频的驻波；
63.对于导电板，位于该导电板上的第一或第二导电结构在靠近导电板上部的内侧边缘的截面形状为第一或第二渐变线，且该第一和第二渐变线关于导电板的中心线对称，而对于每条渐变线可以采用不同的函数曲线以获得天线稳定的辐射性能；
64.对于利用导电材料一体成型形成天线单元，相对比传统的vivaldi天线加工方式，会使得天线更加稳定，同时本实用新型提供的天线通过相邻天线单元紧密连接，实现了单
元之间的连接阵列，使通过导电板外侧边缘紧密连接的第一导电结构与第二导电结构在靠近所述导电板上部的内侧边缘顶端平滑连接，整体上使得天线的稳定性加强，同时提高了天线的可靠性，同时在导电板底部中心采用同轴馈电，使得天线的稳定性得到加强，也更进一步的提高了天线的可靠性。
65.应当说明的是，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
66.此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
67.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。