一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置，利用新型人工電磁材料的在天線漸變槽線端口設(shè)置平面超材料透鏡，在不增加天線固有尺寸以及不破壞E面輻射特性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了H面方向圖波束寬度的拓展，進(jìn)一步利用金屬腔體加載來(lái)隔離天線間信號(hào)互耦，并通過(guò)加載三維超材料透鏡，拓寬E面和H面方向圖波束寬度，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高隔離度和波束寬度的需求。本實(shí)用新型的Vivaldi天線裝置解決了現(xiàn)有Vivaldi天線E面輻射波束寬度過(guò)窄以及互耦過(guò)強(qiáng)的問題，具有高隔離度、寬波束寬度、易于加工、成本低、重量輕和尺寸小便于集成等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的V ivaldi天線裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于天線材料領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁材料，又稱超材料，英文名MetamaterialS，通常由周期性亞波長(zhǎng)金屬或介質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)洛倫茲模型描述，超材料結(jié)構(gòu)可以有效地耦合電場(chǎng)或磁場(chǎng)并提供電或磁諧振特性。由于超材料單元通常涉及為亞波長(zhǎng)尺寸，滿足等效媒質(zhì)理論。超材料陣列可以利用復(fù)數(shù)形式的等效介電常數(shù)c( ω )-Cr( ω )+ici( ω )以及等效磁導(dǎo)率μ( ω ) =μΓ( ω ) +?μι( ω )來(lái)加以描述。一系列基于零折射率、漸變折射率以及變換光學(xué)的超材料透鏡被加以研究和報(bào)道。自從1979年Gibson研制Vivaldi天線以來(lái)，這種超寬帶天線得到了廣泛的關(guān)注并被應(yīng)用于成像系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及其他超寬到系統(tǒng)中。Vivaldi天線在寬帶內(nèi)提供一個(gè)寬H面波束寬度、窄E面波束寬度的輻射特性。考慮到特定系統(tǒng)對(duì)天線增益的需求，一系列基于超材料設(shè)計(jì)的零折射率透鏡加載Vivaldi天線得到報(bào)道。而在成像系統(tǒng)中，尤其是寬帶成像系統(tǒng)中，對(duì)天線波束寬度，即輻射覆蓋范圍，要求非常迫切。而原始Vivaldi天線受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的制約，無(wú)法有效提供E面波束寬度的拓寬。同時(shí)，由于其良好的H面覆蓋范圍，天線與天線間隔離無(wú)法有效得到抑制。本實(shí)用新型提出了一種加載在天線漸變槽線端口的平面超材料透鏡，在不增加天線固有尺寸以及不破壞H面輻射特性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了 E面方向圖波束寬度的拓展。另外，利用金屬腔體加載來(lái)隔離天線間信號(hào)互耦，并通過(guò)加載三維超材料透鏡，拓寬E面和H面方向圖波束寬度，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)提高隔離度和波束寬度的需求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]發(fā)明目的:為了解決現(xiàn)有Vivaldi天線E面輻射波束寬度過(guò)窄以及互耦過(guò)強(qiáng)的問題，本實(shí)用新型提供一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置，能夠在不增加天線固有尺寸以及不破壞H面輻射特性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)E面方向圖波束寬度的拓展。
[0004]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置，該天線裝置包括:兩組相對(duì)設(shè)置的Vivaldi天線陣列，每組所述Vivaldi天線陣列包括并排設(shè)置的多個(gè)Vivaldi天線，所述Vivaldi天線包括:介質(zhì)基板、漸變槽線、微帶線以及二維超材料透鏡，所述漸變槽線位于所述V i va I d i天線與另一組V i va I d i天線陣列相對(duì)的一側(cè)面上，其槽線開口始端處設(shè)置有圓形諧振腔;所述微帶線位于Vivaldi天線的另一側(cè)面上;所述二維超材料透鏡位于所述漸變槽線的開槽區(qū)域，所述二維超材料透鏡包括多列“I”型超材料基本單元，且沿天線的出射方向，位于最外側(cè)的一列超材料基本單元的尺寸與其他列超材料基本單元的尺寸不同。
[0005]其中，每列所述超材料基本單元沿所述開槽區(qū)域的中心線呈對(duì)稱分布。
[0006]其中，每組所述Vivaldi天線陣列的兩側(cè)各設(shè)置有一組半矩形金屬外框，所述半矩形金屬外框?qū)⒚拷MVivaldi天線陣列中的Vivaldi天線進(jìn)行隔離，每組所述半矩形金屬外框與所述Vivaldi天線之間還設(shè)置有多層超材料陣列介質(zhì)插片，每層所述超材料陣列介質(zhì)插片上設(shè)置有多列超材料基本單元。
[0007]進(jìn)一步地，每組所述半矩形金屬外框的尺寸相同，且僅覆蓋所述介質(zhì)基板上圓形諧振腔的邊界至其邊界所限制的矩形區(qū)域。
[0008]進(jìn)一步地，每層所述超材料陣列介質(zhì)插片之間設(shè)有一定間距，且每層介質(zhì)插片只覆蓋漸變槽線的開槽區(qū)域。
[0009]有益效果:本實(shí)用新型中的應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置，通過(guò)加載一組平面新型人工電磁材料單元陣列，實(shí)現(xiàn)了 Q波段Vivaldi天線寬波束性能。通過(guò)調(diào)整超材料單元的尺寸，可以有效且方便地調(diào)整透鏡等效折射率分布，在不影響Vivaldi天線H面方向圖波束寬度的同時(shí)，有效增加了 E面方向圖波束寬度。且整個(gè)設(shè)計(jì)為平面設(shè)計(jì)，沒有占據(jù)過(guò)多額外空間，便于集成，該方案具有操作方便、加工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
[0010]進(jìn)一步地，通過(guò)加載金屬外框與多層超材料陣列介質(zhì)插片形成三維超材料透鏡，有效實(shí)現(xiàn)了天線間高隔離、寬波束特性。金屬外框所形成的腔體有效抑制了天線陣列間信號(hào)串?dāng)_問題，提高了系統(tǒng)隔離度，為了避免金屬腔體的引入限制天線H面方向圖半功率波束寬度，同時(shí)，為了提高E面方向圖波束寬度指標(biāo)，在金屬外框與天線前端之間加載多層超材料陣列介質(zhì)插片，同時(shí)對(duì)E面和H面輻射進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)E面與H面方向圖寬波束特性。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型的一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是圖1中的某一平面超材料透鏡Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3是圖2中天線所加載平面透鏡的單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖4是圖2中平面超材料透鏡Vivaldi天線水平方向E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；
[0015]圖5是圖2中平面超材料透鏡Vivaldi天線縱向H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；
[0016]圖6是本實(shí)用新型中另一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖7是圖6中帶金屬腔及三維透鏡Vivaldi天線的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為解決上述問題，
【申請(qǐng)人】進(jìn)行了深入地研究=Vivaldi天線作為一類具有超寬工作帶寬、超寬H面方向圖的平面端射槽線天線，具備寬帶、寬波束、高增益、體積小、易于集成、加工成本低等特性，可以很方便的被應(yīng)用于各類端射電路與系統(tǒng)。在成像系統(tǒng)中，尤其在寬帶成像系統(tǒng)中，Vivaldi天線可以替代傳統(tǒng)饋源作為系統(tǒng)的收發(fā)終端。然而面對(duì)大范圍掃描需求時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)Vivaldi天線本身特性，該天線僅能保持在垂直天線方向上的寬域掃描，而在天線所處水平平面內(nèi)掃描范圍過(guò)窄，成像范圍極其有限。同時(shí)由于其較高的縱向輻射性能，相比于傳統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)，垂直方向上并列放置的天線陣列單元間互耦明顯增強(qiáng)。
[0019]在本實(shí)用新型中，基于新型人工電磁材料的寬波束Vivaldi天線由Vivaldi天線槽線空隙處加載單層或多層超材料漸變折射率透鏡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]在一般成像系統(tǒng)中，兩組Vivaldi天線陣列被分別固定在測(cè)試系統(tǒng)支架上下內(nèi)表面，其中一組負(fù)責(zé)信號(hào)發(fā)射，另一組負(fù)責(zé)信號(hào)接收，兩組天線陣列對(duì)立放置作為系統(tǒng)的收發(fā)終端。如圖1所示，本實(shí)施例中，應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置包括:兩組Vivaldi天線陣列I和支架2，支架2呈立方體結(jié)構(gòu)，兩組Vivaldi天線陣列I分別設(shè)置在支架2相對(duì)的兩個(gè)內(nèi)表面上，每個(gè)Vivaldi天線陣列I包括并排設(shè)置的多個(gè)Vivaldi天線11，將天線11的兩個(gè)側(cè)面分別稱為正面和背面，則兩組Vivaldi天線陣列I的正面在支架2內(nèi)相對(duì)設(shè)置。如圖2所示，對(duì)于天線陣列I中的任意一個(gè)Vivaldi天線11，包括:介質(zhì)基板111，漸變槽線112，微帶線113，以及超材料透鏡114;在介質(zhì)基板111的正面一側(cè)鋪設(shè)有金屬層，利用印刷電路板技術(shù)在金屬層上進(jìn)行刻蝕使得金屬層的邊界形成圓形諧振腔和漸變槽線112，圓形諧振腔的內(nèi)側(cè)以及漸變槽線112的開槽區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)裸露區(qū)域，其余為金屬層區(qū)域，漸變槽線112的開槽區(qū)域呈喇叭形，形成天線的輻射端口，當(dāng)天線陣列I被固定在支架2上時(shí)，圓形諧振腔一側(cè)覆蓋完整的金屬層區(qū)域與支架2焊接在一起，起到微帶背板接地的作用;漸變槽線112的開槽區(qū)域內(nèi)排布有二維超材料透鏡114，漸變槽線112與二維超材料透鏡114懸空于自由空間中；微帶線113位于介質(zhì)基板111的另一側(cè)面即背面，微帶線113的一端延伸至介質(zhì)基板111的中點(diǎn)位置，以方便布陣饋電的周期性與對(duì)稱性，另一端通過(guò)彎折過(guò)渡段終止于一段扇形短截線，扇形短截線的位置恰好處于正面上漸變槽線112的槽線開口始端與圓形諧振腔之間，扇形短截線與該圓形諧振腔相互耦合，將信號(hào)從微帶線內(nèi)耦合到槽線，并傳輸至輻射端口，形成天線的激勵(lì)結(jié)構(gòu)；二維超材料透鏡114設(shè)置在漸變槽線112的喇叭形空隙處。如圖2所示，二維超材料透鏡114包括多列超材料基本單元組成，在沿天線的出射方向上，位于最外側(cè)的一列超材料基本單元的尺寸與其他列超材料基本單元的尺寸不同，每列超材料基本單元沿開槽區(qū)域的中心線呈對(duì)稱分布，最外側(cè)一列超材料單元用于輻射端口向空間輻射過(guò)程中的阻抗匹配，從而提高天線輻射效率。如圖3所示，每個(gè)超材料基本單元呈“I”結(jié)構(gòu)，位于該“I”結(jié)構(gòu)兩端的結(jié)構(gòu)尺寸為L(zhǎng)，位于該“I”結(jié)構(gòu)中間段的結(jié)構(gòu)尺寸為D，結(jié)構(gòu)尺寸L、D可以有效調(diào)節(jié)透鏡等效折射率分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)輻射方向的調(diào)整以拓寬水平面方向E面的波束寬度。
[0023]圖4、圖5分別為實(shí)例一中加載二維超材料透鏡114的Vivaldi天線11水平方向E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖以及縱向H面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，從圖4中可以看到E面半功率波束寬度大約為130°，從圖5中可以看出H面半功率波束寬度達(dá)到了118°左右。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]如圖6所示，本實(shí)施例中應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置也包括兩組Vivaldi天線陣列I和支架2，與實(shí)施例1不同的是，在本實(shí)施例中，為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)間串?dāng)_，提高天線間隔離度，每組Vivaldi天線陣列I還設(shè)置有三維超材料透鏡3，該三維超材料透鏡3包括兩組半矩形金屬外框31和多層超材料陣列介質(zhì)插片32，兩組尺寸相同的金屬外框31將Vivaldi天線陣列I夾在其中，且相對(duì)于Vivaldi天線陣列I對(duì)稱分布，Vivaldi天線陣列I兩側(cè)的每組金屬外框31均將每個(gè)Vivaldi天線進(jìn)行隔離;在天線槽線一側(cè)即正面一側(cè)，金屬框架31與支架2相連，金屬框架31的邊界與天線位于自由空間中的區(qū)域平齊，即覆蓋圓形諧振腔以及天線的輻射端口的邊界所限制的矩形區(qū)域;在天線微帶結(jié)構(gòu)一側(cè)即背面一側(cè)，因金屬框架31與另一側(cè)的金屬框架尺寸相當(dāng)，只覆蓋Vivaldi天線輻射端部分區(qū)域，而不覆蓋微帶激勵(lì)部分區(qū)域，天線末端微帶暴露在自由空間中；該金屬框架31將固定在支架2兩相對(duì)內(nèi)表面上的兩組天線陣列I進(jìn)行隔離，阻隔輻射信號(hào)從發(fā)射天線陣列傳播至接收天線陣列，從而降低系統(tǒng)串?dāng)_，提高了隔離度;結(jié)合圖7，在金屬外框31與Vivaldi天線陣列I之間設(shè)置有多層超材料陣列介質(zhì)插片32，每層插片間有一定間距，對(duì)稱分布分布在Vivaldi天線陣列I的兩側(cè)，且每層介質(zhì)插片32只覆蓋漸變槽線112的開槽區(qū)域，未延伸至圓形諧振腔所在區(qū)域，即并不覆蓋天線圓形諧振腔以及末端微帶區(qū)域，在每層介質(zhì)插片32上相同的位置處，SP與漸變槽線112的開槽區(qū)相對(duì)應(yīng)的位置處，設(shè)置有超材料單元組成的陣列。
[0026]金屬框架31的加載，阻隔了天線間信號(hào)傳播路徑，提高了隔離度。但是受到邊界條件的影響，天線本身在縱向的H面波束寬度受到了壓縮，同時(shí)水平面E面波束寬度仍無(wú)法滿足成像系統(tǒng)需求;本實(shí)施例中利用三維漸變折射率透鏡3來(lái)拓寬波束寬度，相比于實(shí)施例1中的平面二維超材料透鏡114而言，本例中的透鏡占據(jù)較大空間，組裝相對(duì)較為麻煩，但可以同時(shí)拓展水平E面波束寬度以及縱向H面波束寬度，在滿足波束覆蓋需求的前提下，大大降低系統(tǒng)間串?dāng)_。
[0027]本實(shí)用新型通過(guò)加載平面二維新型人工電磁材料透鏡，有效拓寬了Vivaldi天線的E面波束寬度。通過(guò)加載金屬框架以及三維新型人工電磁材料透鏡，提高了天線陣間隔離度，并有效拓寬了天線E面和H面波束寬度。
[0028]本實(shí)用新型所述兩種透鏡組成形式，均可由PCB加工工藝大規(guī)模加工與組裝，操作簡(jiǎn)單，便于集成。
[0029]以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種應(yīng)用于成像系統(tǒng)的Vivaldi天線裝置，其特征在于，該天線裝置包括:兩組相對(duì)設(shè)置的Vivaldi天線陣列(I)，每組所述Vivaldi天線陣列(I)包括并排設(shè)置的多個(gè)Vivaldi天線(11)，所述Vivaldi天線(11)包括:介質(zhì)基板(111)、漸變槽線(112)、微帶線(113)以及二維超材料透鏡(I 14)，所述漸變槽線(I 12)位于所述Vivaldi天線(I I)與另一組Vivaldi天線陣列(I)相對(duì)的一側(cè)面上，其槽線開口始端處設(shè)置有圓形諧振腔;所述微帶線(113)位于Vivaldi天線(11)的另一側(cè)面上;所述二維超材料透鏡(114)位于所述漸變槽線(112)的開槽區(qū)域，所述二維超材料透鏡(114)包括多列“I”型超材料基本單元，且沿天線的出射方向，位于最外側(cè)的一列超材料基本單元的尺寸與其他列超材料基本單元的尺寸不同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，每列所述超材料基本單元沿所述開槽區(qū)域的中心線呈對(duì)稱分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，每組所述Vivaldi天線陣列(I)的兩側(cè)各設(shè)置有一組半矩形金屬外框(31)，所述半矩形金屬外框(31)將每組Vivaldi天線陣列(I)中的Vivaldi天線(11)進(jìn)行隔離，每組所述半矩形金屬外框(31)與所述Vivaldi天線(11)之間還設(shè)置有多層超材料陣列介質(zhì)插片(32)，每層所述超材料陣列介質(zhì)插片(32)上設(shè)置有多列超材料基本單元。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，每組所述半矩形金屬外框(31)的尺寸相同，且僅覆蓋所述介質(zhì)基板(111)上圓形諧振腔的邊界至其邊界所限制的矩形區(qū)域。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，每層所述超材料陣列介質(zhì)插片(32)之間設(shè)有一定間距，且每層介質(zhì)插片(32)只覆蓋漸變槽線(112)的開槽區(qū)域。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，所述漸變槽線(112)的開槽區(qū)域呈喇叭形。7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的Vivaldi天線裝置，其特征在于，所述微帶線(113)的一端延伸至介質(zhì)基板(111)的中點(diǎn)位置，另一端通過(guò)彎折過(guò)渡段終止于一段扇形短截線。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK205646141SQ201620320337
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】崔鐵軍, 潘柏操, 孫忠良
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)