一种宽带双线极化锥削槽天线

摘要

本发明涉及一种宽带双线极化锥削槽天线，建立带有无源振子且侧边倾斜的锥削槽辐射贴片；在此锥削槽天线指数线以及馈电微带线的轮廓边缘打一系列的金属化过孔；并且，将两个线极化锥削槽天线单元按照中间断开的“T”字形结构排列，组成双线极化天线。本发明具有宽带宽波束的特性，可以消除宽带宽角扫描时因谐振所带来的驻波畸点。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带双线极化锥削槽天线。

背景技术

锥削槽天线是一种非谐振天线，具有宽频带，单向辐射，结构简单，易于加工，重量轻，造价低等优点。1979年P.J.Gibson先生提出了指数线渐变的锥削槽天线(Vivaldi)天线，这种天线具有低副瓣，增益适中，波束宽度可调等优势，这种天线从诞生以来就受到了广泛关注，在卫星通信，探底雷达等微波领域有着广泛的应用。目前宽带双极化锥削槽天线作为天线单元，主要应用在通信基站以及有源相控阵雷达上；微带偶极子以及贴片天线也可以作为单元天线，但是锥削槽天线作为非频变天线，具有更宽的阻抗带宽以及方向图带宽，有着更广阔的应用领域和更好的应用前景。

常州吉赫射频电子技术有限公司在专利“一种具有超宽带双极化特性的Vivaldi印刷天线”(公开号：CN203826551U)中，提出了一种将两个微带线耦合馈电的双面印刷Vivaldi天线单元，十字交叉组成双极化天线的方法；在指数渐变金属贴片侧翼加载了梳齿状不等长度波纹，以改善阻抗带宽；在天线辐射贴片尾翼同样加载了梳齿状扼流栅格，来减少后向辐射并提高了天线增益；这种做法虽然提高了天线增益，但是相应也使波束宽度变窄，当组成平面阵列，进行大角度相控扫描时，阵列增益将出现较大的下降。

华东师范大学在专利申请“多频段宽带渐变槽线天线及正交双极化宽带渐变槽线天线”(公开号：CN105514588A)中，将具有渐变槽线结构的双频段中心天线部分，和具有双槽线辐射结构的低频段外围天线部分形成一个整体，扩展了天线的带宽；并且将两片单元天线正交交叉方式，解决了介质基板厚度大于槽线宽度的冲突，且减小了两种极化天线间的互耦影响；这种做法使两种极化单元间互耦问题有了改善；但是没有考虑当天线组成大型平面阵进行宽带宽角扫描时，在某些频点将产生谐振，驻波出现畸点，阻抗严重失配的问题。

2012年8月《微波学报》公开的文献《一种多功能宽带双极化相控阵天线研究》将指数渐变的锥削槽旋转成体，形成双极化天线；这种做法虽然减小了单元天线的输入阻抗和互耦，但是也增加了单元天线的体积和重量，不适用星载弹载等对重量和体积要求严苛的环境。

2004年3月《微波学报》公开的文献《一种改进的V型渐变槽天线》将传统V型渐变槽天线末端的突变改成渐变；这种做法通过减小天线末端的不连续性，抑制的表面波的传播，有效地降低了天线的副瓣电平；但是V型渐变槽天线由于结构所限，波束宽度仍比较窄，不适合宽角度相控扫描。

发明内容

本发明提供一种锥削槽双极化天线，具有宽带宽波束的特性，并且可以消除宽带宽角扫描时因谐振所带来的驻波畸点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种宽带双线极化锥削槽天线，其设有的单线极化锥削槽天线单元进一步包含：

介质基板，由两层印制板粘合而成；

微带馈线，位于所述介质基板的两层印制板之间；

锥削槽的金属辐射贴片，分别位于所述介质基板的上下表面；其中任意一面金属辐射贴片上，对称地设有渐变曲线为指数线的锥削槽；在所述锥削槽的末端连接有圆形槽；所述锥削槽的侧边倾斜并与天线单元的宽边形成夹角；在贴近天线单元宽边的金属辐射贴片两侧边缘处，分别设有无源振子；

一系列金属化过孔，沿所述指数线以及微带馈线的轮廓边缘开设。

优选地，所述宽带双线极化锥削槽天线中包含两个单线极化锥削槽天线单元，其相互有间隔的垂直放置，排列成断开的T字形结构，形成双线极化天线。

优选地，所述锥削槽的指数线的表达式为：

y(x)＝a·e^b·x

其中，x为天线单元的宽度，y为天线单元的高度，a、b为系数。

优选地，根据所述金属辐射贴片的无源振子的宽度、高度，以及所述天线单元的宽度x、高度y及系数b，来影响辐射特性。

优选地，所述微带馈线的激励端是50Ω的带状线，通过阻抗变换段连接扇形负载。

优选地，根据所述圆形槽的半径、扇形负载的半径、阻抗变换段的微带线宽度，来影响阻抗匹配。

优选地，两个单线极化锥削槽天线单元的宽边中心的横向间距，根据天线单元的宽边长度与扫描角度来调节。

优选地，所述单线极化锥削槽天线单元的工作频带为12GHz-19GHz。

优选地，所述印制板的相对介电常数为3.5。

本发明的优点在于：

1.H面波束展宽的锥削槽天线

首先设计了一种渐变曲线为指数线的锥削槽天线，指数线作为渐变曲线相比于直线或其他曲线具有更宽的宽带。圆形槽与渐变指数线的锥削槽末端连接，带有扇形负载的微带线位于两层印制板介质板中间，与槽线通过耦合产生电场，这是一种具有很宽带宽的巴伦。激励端是50Ω的带状线，方便和SMA等其他特性阻抗为50Ω的射频连接器连接。本发明将本来与锥削槽宽边垂直的侧边改成与宽边倾斜一定的角度，并在左右边缘处留出两根无源振子。这样做一方面展宽了锥削槽天线H面的波束宽度，另一方面改善了阻抗匹配。

2.宽带宽角扫描时驻波畸点的抑制。

上述的单线极化锥削槽天线虽然展宽了带宽，但是在组成双极化平面阵进行宽带宽角扫描时，由于介质与方形腔体之间有大片金属的存在，介质区域构成谐振腔结构，某些频点会谐振，产生驻波畸点，阻抗严重失配。

本发明的解决方法是通过在天线馈电和辐射锥削槽的轮廓边缘加金属化过孔，减小谐振腔有效尺寸，从而将谐振频率搬移到工作频带外部，消除了带内因宽角扫描带来的驻波畸点。

3.高隔离度低交叉极化的双线极化锥削槽天线

常规将两个锥削槽天线组成双极化天线的方法，是在线极化天线宽边中心线的上位置下分别开矩形槽，槽的宽度必须与介质基板厚度相等，两个槽深度之和等于线极化长边长度，组成“十”字形双极化天线。这样做有一些固有的缺点，其一是开槽位置刚好在锥削槽辐射方向上，破坏了天线自身结构，影响辐射特性与阻抗特性；其二是“十”字交叉的双极化天线馈电点位置固定，组阵时对下面馈电网络位置要求较高；其三是两种极化馈电带线之间距离较近，端口隔离度和极化纯度都不是很理想。

针对这些问题，本发明将两个线极化锥削槽天线采用中间断开的“T”字形放置，这种方法两个相互垂直的线极化单元间没有交叉，不需开槽，不破坏天线结构；且两种极化天线宽边中心的间距可以根据宽边长度与扫描角度任意调节；相对于“十”字形的结构，中间断开的“T”字形结构具有高隔离，低交叉极化，结构简单馈电灵活方便的优点，同时具备宽带宽角扫描的工程潜力。

附图说明

图1是单线极化锥削槽天线单元结构模型图。

图2a～图2d分别是双线极化锥削槽天线结构模型的立体图、侧视图、正视图、俯视图。

图3是双线极化天线两个端口的有源驻波曲线。

图4是双线极化锥削槽天线两端口间的隔离度示意图。

图5a～图5c是带内三个频点的H面归一化增益方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为单线极化锥削槽天线单元结构模型图，配合参见图2a～图2d，该天线单元包含锥削槽的辐射贴片50、介质基板40、微带馈线20(或称馈电微带线)三大部分。所述介质基板40由上下两层印制板41、42粘合而成；在介质基板40的上下表面(即天线单元的两面)分别为锥削槽的金属辐射贴片50。

任意一面金属辐射贴片50上，左右对称地设有渐变曲线为指数线11的锥削槽，指数线11的表达式为：

y(x)＝a·e^b·x>

其中，x为天线单元的宽度，y为天线单元的高度，a、b为系数。圆形槽12连接在所述锥削槽的末端；带有扇形负载21的微带馈线20位于介质基板40的两层印制板41、42之间，与槽线通过耦合产生电场。激励端是50Ω的带状线，设有阻抗变换段22与扇形负载21连接。锥削槽的侧边13倾斜与天线单元的宽边14形成一定的夹角，并在辐射贴片50的左右边缘处留出两根无源振子15。在天线的指数线11以及微带馈线20的轮廓边缘还开设有一系列金属化过孔30。

如图2a～图2d所示，将两个图1所示的单线极化锥削槽天线单元100、200有间隔的垂直放置，组成断开的“T”字形的双线极化天线。

以下提供一个具体的实施实例：图1示出工作频带为12GHz-19GHz线极化锥削槽天线单元结构模型，该天线单元由两块长14mm，宽12.5mm，厚度0.5mm，相对介电常数为3.5的Arlon AD350A印制板粘合而成。天线上下面为锥削槽的金属辐射贴片，中间为微带馈线。锥削槽指数线由公式(1)经过HFSS电磁仿真软件仿真优化确定：其中x＝10mm，y＝9.4mm，a＝-0.04，b＝0.8。锥削槽末端连接的圆形槽，半径r0＝0.5mm；辐射贴片左右两边的无源振子，宽w＝0.2mm，高h＝7mm。中间馈电的微带线：50Ω微带线宽度w1＝0.6mm，长度l1＝2.7mm；阻抗变换段的微带线宽度w2＝0.45mm，长度l2＝2mm。辐射角θ＝100°，扇形负载半径r1＝0.7mm。在天线的指数线以及微带馈线的轮廓边缘打一系列金属化过孔，孔半径r2＝0.15mm。

如图2a～图2d的双线极化锥削槽天线结构模型所示，将两个线极化天线排列成断开的“T”字型双极化天线，两天线宽边中心的横向间距d＝9.5mm；影响阻抗匹配的参数有r0，r1，w2；影响辐射特性的参数有w，h，b，x，y；将该双极化天线组成平面阵，中心位置的两种正交线极化天线的有源驻波曲线如图3所示，可见该双极化天线在频带内有源驻波小于1.8，并没有出现驻波畸点；图4示出两个线极化端口隔离度，频带内隔离度大于40dB；图5a～图5c是带内高中低三个频点(12GHz、15.5GHz、19GHz)的H面归一化增益方向图，H面波束宽度大于130°，极化隔离大于-35dB。

通过该实例可见，本发明相对于常规的锥削槽天线，不但有更宽的波束宽度，更好的端口隔离与极化隔离，而且组成平面阵后在频带内有较好的阻抗匹配，没有产生谐振现象。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。