一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置

摘要

本发明公开了一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置，利用新型人工电磁材料的在天线渐变槽线端口设置平面超材料透镜，在不增加天线固有尺寸以及不破坏E面辐射特性的基础上，实现了H面方向图波束宽度的拓展，进一步利用金属腔体加载来隔离天线间信号互耦，并通过加载三维超材料透镜，拓宽E面和H面方向图波束宽度，以实现同时提高隔离度和波束宽度的需求。本发明的Vivaldi天线装置解决了现有Vivaldi天线E面辐射波束宽度过窄以及互耦过强的问题，具有高隔离度、宽波束宽度、易于加工、成本低、重量轻和尺寸小便于集成等优点。

说明书

技术领域

本发明属于天线材料领域，尤其涉及一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置。

背景技术

新型人工电磁材料，又称超材料，英文名Metamaterials，通常由周期性亚波长金属 或介质结构组成。根据洛伦兹模型描述，超材料结构可以有效地耦合电场或磁场并提供 电或磁谐振特性。由于超材料单元通常涉及为亚波长尺寸，满足等效媒质理论。超材料 阵列可以利用复数形式的等效介电常数c(ω)-c_r(ω)+ic₁(ω)以及等效磁导率 μ(ω)＝μ_r(ω)+iμ₁(ω)来加以描述。一系列基于零折射率、渐变折射率以及变换光学 的超材料透镜被加以研究和报道。自从1979年Gibson研制Vivaldi天线以来，这种超 宽带天线得到了广泛的关注并被应用于成像系统、通信系统以及其他超宽到系统中。 Vivaldi天线在宽带内提供一个宽H面波束宽度、窄E面波束宽度的辐射特性。考虑到 特定系统对天线增益的需求，一系列基于超材料设计的零折射率透镜加载Vivaldi天线 得到报道。而在成像系统中，尤其是宽带成像系统中，对天线波束宽度，即辐射覆盖范 围，要求非常迫切。而原始Vivaldi天线受结构特点的制约，无法有效提供E面波束宽 度的拓宽。同时，由于其良好的H面覆盖范围，天线与天线间隔离无法有效得到抑制。 本发明提出了一种加载在天线渐变槽线端口的平面超材料透镜，在不增加天线固有尺寸 以及不破坏H面辐射特性的基础上，实现了E面方向图波束宽度的拓展。另外，利用 金属腔体加载来隔离天线间信号互耦，并通过加载三维超材料透镜，拓宽E面和H面 方向图波束宽度，以实现同时提高隔离度和波束宽度的需求。

发明内容

发明目的：为了解决现有Vivaldi天线E面辐射波束宽度过窄以及互耦过强的问题， 本发明提供一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置，能够在不增加天线固有尺寸以及 不破坏H面辐射特性的基础上实现E面方向图波束宽度的拓展。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种应用于成像系统的Vivaldi天线装 置，该天线装置包括：两组相对设置的Vivaldi天线阵列，每组所述Vivaldi天线阵列包 括并排设置的多个Vivaldi天线，所述Vivaldi天线包括：介质基板、渐变槽线、微带线 以及二维超材料透镜，所述渐变槽线位于所述Vivaldi天线与另一组Vivaldi天线阵列相 对的一侧面上，其槽线开口始端处设置有圆形谐振腔；所述微带线位于Vivaldi天线的 另一侧面上；所述二维超材料透镜位于所述渐变槽线的开槽区域，所述二维超材料透镜 包括多列“I”型超材料基本单元，且沿天线的出射方向，位于最外侧的一列超材料基本单 元的尺寸与其他列超材料基本单元的尺寸不同。

其中，每列所述超材料基本单元沿所述开槽区域的中心线呈对称分布。

其中，每组所述Vivaldi天线阵列的两侧各设置有一组半矩形金属外框，所述半矩 形金属外框将每组Vivaldi天线阵列中的Vivaldi天线进行隔离，每组所述半矩形金属外 框与所述Vivaldi天线之间还设置有多层超材料阵列介质插片，每层所述超材料阵列介 质插片上设置有多列超材料基本单元。

进一步地，每组所述半矩形金属外框的尺寸相同，且仅覆盖所述介质基板上圆形谐 振腔的边界至其边界所限制的矩形区域。

进一步地，每层所述超材料阵列介质插片之间设有一定间距，且每层介质插片只覆 盖渐变槽线的开槽区域。

有益效果：本发明中的应用于成像系统的Vivaldi天线装置，通过加载一组平面新 型人工电磁材料单元阵列，实现了Q波段Vivaldi天线宽波束性能。通过调整超材料单 元的尺寸，可以有效且方便地调整透镜等效折射率分布，在不影响Vivaldi天线H面方 向图波束宽度的同时，有效增加了E面方向图波束宽度。且整个设计为平面设计，没有 占据过多额外空间，便于集成，该方案具有操作方便、加工简单的特点。

进一步地，通过加载金属外框与多层超材料阵列介质插片形成三维超材料透镜，有 效实现了天线间高隔离、宽波束特性。金属外框所形成的腔体有效抑制了天线阵列间信 号串扰问题，提高了系统隔离度，为了避免金属腔体的引入限制天线H面方向图半功率 波束宽度，同时，为了提高E面方向图波束宽度指标，在金属外框与天线前端之间加载 多层超材料阵列介质插片，同时对E面和H面辐射进行优化，实现E面与H面方向图 宽波束特性。

附图说明

图1是本发明的一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置的整体结构示意图；

图2是图1中的某一平面超材料透镜Vivaldi天线的结构示意图；

图3是图2中天线所加载平面透镜的单元结构示意图；

图4是图2中平面超材料透镜Vivaldi天线水平方向E面远场方向图；

图5是图2中平面超材料透镜Vivaldi天线纵向H面远场方向图；

图6是本发明中另一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置的整体结构示意图；

图7是图6中带金属腔及三维透镜Vivaldi天线的局部结构示意图。

具体实施方式

为解决上述问题，申请人进行了深入地研究：Vivaldi天线作为一类具有超宽工作带 宽、超宽H面方向图的平面端射槽线天线，具备宽带、宽波束、高增益、体积小、易于 集成、加工成本低等特性，可以很方便的被应用于各类端射电路与系统。在成像系统中， 尤其在宽带成像系统中，Vivaldi天线可以替代传统馈源作为系统的收发终端。然而面对 大范围扫描需求时，根据传统Vivaldi天线本身特性，该天线仅能保持在垂直天线方向 上的宽域扫描，而在天线所处水平平面内扫描范围过窄，成像范围极其有限。同时由于 其较高的纵向辐射性能，相比于传统收发系统，垂直方向上并列放置的天线阵列单元间 互耦明显增强。

在本发明中，基于新型人工电磁材料的宽波束Vivaldi天线由Vivaldi天线槽线空隙 处加载单层或多层超材料渐变折射率透镜设计实现。

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

在一般成像系统中，两组Vivaldi天线阵列被分别固定在测试系统支架上下内表面， 其中一组负责信号发射，另一组负责信号接收，两组天线阵列对立放置作为系统的收发 终端。如图1所示，本实施例中，应用于成像系统的Vivaldi天线装置包括：两组Vivaldi 天线阵列1和支架2，支架2呈立方体结构，两组Vivaldi天线阵列1分别设置在支架2 相对的两个内表面上，每个Vivaldi天线阵列1包括并排设置的多个Vivaldi天线11，将 天线11的两个侧面分别称为正面和背面，则两组Vivaldi天线阵列1的正面在支架2内 相对设置。如图2所示，对于天线阵列1中的任意一个Vivaldi天线11，包括：介质基 板111，渐变槽线112，微带线113，以及超材料透镜114；在介质基板111的正面一侧 铺设有金属层，利用印刷电路板技术在金属层上进行刻蚀使得金属层的边界形成圆形谐 振腔和渐变槽线112，圆形谐振腔的内侧以及渐变槽线112的开槽区域为介质裸露区域， 其余为金属层区域，渐变槽线112的开槽区域呈喇叭形，形成天线的辐射端口，当天线 阵列1被固定在支架2上时，圆形谐振腔一侧覆盖完整的金属层区域与支架2焊接在一 起，起到微带背板接地的作用；渐变槽线112的开槽区域内排布有二维超材料透镜114， 渐变槽线112与二维超材料透镜114悬空于自由空间中；微带线113位于介质基板111 的另一侧面即背面，微带线113的一端延伸至介质基板111的中点位置，以方便布阵馈 电的周期性与对称性，另一端通过弯折过渡段终止于一段扇形短截线，扇形短截线的位 置恰好处于正面上渐变槽线112的槽线开口始端与圆形谐振腔之间，扇形短截线与该圆 形谐振腔相互耦合，将信号从微带线内耦合到槽线，并传输至辐射端口，形成天线的激 励结构；二维超材料透镜114设置在渐变槽线112的喇叭形空隙处。如图2所示，二维 超材料透镜114包括多列超材料基本单元组成，在沿天线的出射方向上，位于最外侧的 一列超材料基本单元的尺寸与其他列超材料基本单元的尺寸不同，每列超材料基本单元 沿开槽区域的中心线呈对称分布，最外侧一列超材料单元用于辐射端口向空间辐射过程 中的阻抗匹配，从而提高天线辐射效率。如图3所示，每个超材料基本单元呈“I”结构， 位于该“I”结构两端的结构尺寸为L，位于该“I”结构中间段的结构尺寸为D，结构尺寸L、 D可以有效调节透镜等效折射率分布，从而实现对信号辐射方向的调整以拓宽水平面方 向E面的波束宽度。

图4、图5分别为实例一中加载二维超材料透镜114的Vivaldi天线11水平方向E 面远场方向图以及纵向H面远场方向图，从图4中可以看到E面半功率波束宽度大约 为130°，从图5中可以看出H面半功率波束宽度达到了118°左右。

实施例2：

如图6所示，本实施例中应用于成像系统的Vivaldi天线装置也包括两组Vivaldi天 线阵列1和支架2，与实施例1不同的是，在本实施例中，为了进一步降低系统间串扰， 提高天线间隔离度，每组Vivaldi天线阵列1还设置有三维超材料透镜3，该三维超材料 透镜3包括两组半矩形金属外框31和多层超材料阵列介质插片32，两组尺寸相同的金 属外框31将Vivaldi天线阵列1夹在其中，且相对于Vivaldi天线阵列1对称分布，Vivaldi 天线阵列1两侧的每组金属外框31均将每个Vivaldi天线进行隔离；在天线槽线一侧即 正面一侧，金属框架31与支架2相连，金属框架31的边界与天线位于自由空间中的区 域平齐，即覆盖圆形谐振腔以及天线的辐射端口的边界所限制的矩形区域；在天线微带 结构一侧即背面一侧，因金属框架31与另一侧的金属框架尺寸相当，只覆盖Vivaldi天 线辐射端部分区域，而不覆盖微带激励部分区域，天线末端微带暴露在自由空间中；该 金属框架31将固定在支架2两相对内表面上的两组天线阵列1进行隔离，阻隔辐射信 号从发射天线阵列传播至接收天线阵列，从而降低系统串扰，提高了隔离度；结合图7， 在金属外框31与Vivaldi天线阵列1之间设置有多层超材料阵列介质插片32，每层插片 间有一定间距，对称分布分布在Vivaldi天线阵列1的两侧，且每层介质插片32只覆盖 渐变槽线112的开槽区域，未延伸至圆形谐振腔所在区域，即并不覆盖天线圆形谐振腔 以及末端微带区域，在每层介质插片32上相同的位置处，即与渐变槽线112的开槽区 相对应的位置处，设置有超材料单元组成的阵列。

金属框架31的加载，阻隔了天线间信号传播路径，提高了隔离度。但是受到边界 条件的影响，天线本身在纵向的H面波束宽度受到了压缩，同时水平面E面波束宽度 仍无法满足成像系统需求；本实施例中利用三维渐变折射率透镜3来拓宽波束宽度，相 比于实施例1中的平面二维超材料透镜114而言，本例中的透镜占据较大空间，组装相 对较为麻烦，但可以同时拓展水平E面波束宽度以及纵向H面波束宽度，在满足波束 覆盖需求的前提下，大大降低系统间串扰。

本发明通过加载平面二维新型人工电磁材料透镜，有效拓宽了Vivaldi天线的E面 波束宽度。通过加载金属框架以及三维新型人工电磁材料透镜，提高了天线阵间隔离度， 并有效拓宽了天线E面和H面波束宽度。

本发明所述两种透镜组成形式，均可由PCB加工工艺大规模加工与组装，操作简 单，便于集成。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的 具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换， 这些等同变换均属于本发明的保护范围。