一種寬帶高增益雙開槽Vivaldi天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術領域，尤其設及一種寬帶高增益雙開槽Vivaldi天線。
【背景技術】
[0002] 漸變開槽天線(Tapered slot antenna,TSA)是一種典型的表面波端射天線。它依 靠蝕刻在介質板上的漸變槽線實現(xiàn)慢波效應，并在傳輸電磁波的過程中通過逐漸張開的槽 線福射能量。漸變開槽天線在很寬的頻帶內具有良好的端口匹配、穩(wěn)定的增益、寬度相近且 對稱的E面H面方向圖、重量輕、易于加工及集成等優(yōu)點，因而被廣泛應用于射電天文、探地 雷達、超寬帶通信、超寬帶成像等領域。漸變開槽天線的槽線結構，主要有=種典型的形式： 指數漸變開槽天線化邱onentially 1:apered slot antenna,ETSA)，也叫Vivaldi天線；線 性漸變開槽天線化inearly tapered slot antenna,LTSA);寬度不變槽天線（Constant width slot antenna,CWSA)。在運S種傳統(tǒng)的漸變開槽天線中，ETSA帶寬最寬，LTSA次之， CWSA最窄；CWSA具有最高增益，最窄波束，LTSA次之，ETSA增益最低，波束最寬。可見，ETSA， 也就是Vivaldi天線更符合現(xiàn)代天線對寬帶寬的要求，但是，如何在全工作頻帶范圍內提高 Vivaldi天線的福射增益就成為天線工程師們面臨的一個重要問題。
[0003] Vivaldi天線是漸變開槽天線中的非頻變天線，具有最寬的頻帶，最穩(wěn)定的福射特 性，但也有相對較低的福射增益。此外，在利用印制板技術實現(xiàn)時，介質板材料的影響會導 致天線高頻處的波束分裂。
[0004] 提高Vivaldi天線福射增益的技術基礎在于改善其槽線的口徑場分布。 R.N.Simons和R.Q丄ee最早在1998年討論了在漸變開槽天線前端利用不同形狀介質塊對天 線口徑場的改善情況，并研究了相應天線的增益變化，運種介質塊被稱為介質"引向器"， 其功能等同于簡單的介質透鏡。在運一思想基礎上，很多研究人員針對不同的應用要求設 計出了各種形狀和介電常數變化的介質"引向器"。另一種方法是伴隨著超材料的研究出現(xiàn) 的，研究人員通過在漸變開槽天線的槽線口徑內放置零折射率超材料結構，進而改善天線 的口徑場分布，提高天線的增益。運是目前用W提高Vivaldi天線福射增益的兩種主要方 法，在下面的現(xiàn)有技術方案中將詳細闡述。
[0005] 文南犬('N.Ghassemi ,and K.Wu.Planar High-Gain Dielentric-Load Antipodal Linearly Tapered Slot Antenna for E-and W-band Gigabyte Point-to-Point Wireless Services[J]. IEEE Trans .Antennas&Propagat.,2013,61(4),:1747-1745"; ('G.Teni ,N.Zhang, J.H.Qiu,et al.Research on a Novel Miniaturized Antipodal Vivaldi Antenna with Improved Raidation[J]. IEEE Antennas Wireless Propag 丄 ett. ,2013,12:417-420" ; ('R.N.Simons,and R. Q. Lee . Impedance Matching of Tapered Slot Antenna Using a Dielectric Transformer!!J] .Electron Lett. , 1998,34 (24):2287-2289";"K.Kota,and L.Shafai.Gain and Radiation Pattern Enhancement of Balanced Antipodal Vivaldi Antenna[J].Electron Lett.,2011,47(5):303-304:采 用的方法是利用介質"引向器"提高Vivaldi天線的福射增益。運種介質"引向器"可W像透 鏡一樣改善槽線口徑內或槽線口徑外側附近的電場波前，使之接近平面波的波前分布，從 而實現(xiàn)遠場福射的高增益。通過改變口徑場分布的方式提高福射增益的根本途徑，也是提 高Vivaldi天線增益的有效方法。介質"引向器"的使用需要突出的介質前端，或直接在口徑 內外加載高介電常數的介質塊，運種設計雖然能在較寬的頻帶范圍內提高天線的增益，卻 增加了天線的體積，設計也更加復雜。
[0006] 文南犬('B.Zhou,and T.J.Cui .Directivity Enhancement to Vivaldi Antennas Using Compactly Anisotropic Zero-Index Metamaterials[J]. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. , 2011,10 : 326-329'' ；（'M. Sun, Z .N. Chen ,and X .M. Qing. Gain Enhancement of 60-GHz Antipodal Tapered Slot Antenna Using Zero-Index MetamaterialU]. IE趾 Trans.Antennas&Propagat. ,2013,61(4): 1741-1746"通過在 Vivaldi天線的槽線內設計零折射率超材料結構提高天線的福射增益。研究人員將零折射 率超材料放置于槽線口徑內或加載于槽線口徑兩側，利用零折射率超材料的零折射特性減 小槽線中屯、處電場的相速度，使之在到達槽線末端時具有和槽線兩側電場相近的相位，形 成了類似平面波的均勻波前分布，遠場福射增益得到提高。零折射率超材料的設計復雜性 甚于介質"引向器"，更重要的是，零折射率超材料只能在較窄的頻帶范圍內實現(xiàn)零折射工 作，因而，利用零折射率超材料提高Vivaldi天線的增益難W滿足寬帶要求。
[0007] 文獻S.Sugawara,Y.Maita,and K.Adachi ,et al .A mm-Wave Tapered Slot Antenna with Improved Radiation Pattern[C]. IEEE MTT-S International Symposium Digest, 1997:959-962研究了在漸變開槽天線邊緣蝕刻一系列矩形槽縫對天線性能的影 響，運種處理形成了波紋邊緣結構，波紋邊緣將原來平行于天線軸向的邊緣電流婉艇曲折， 產生與天線軸向垂直的電流，而且電流福射電場的方向與槽線中的電場同向，在天線軸向 形成有效福射，進而改善漸變開槽天線的福射性能，特別是邊緣電流較強的較低工作頻率。 實驗證明，對漸變開槽天線邊緣的波紋處理越充分，漸變開槽天線的低頻匹配和福射性能 越好。
[0008] 利用介質"引向器"提高Vivaldi天線的福射增益需要使用突出的介質前端，或直 接在口徑內外放置高介電常數的介質塊，運種設計雖然能在較寬的頻帶范圍內提高天線的 增益，卻增加了天線的體積，設計也更加復雜，成本也很高。利用零折射率超材料改善 Vivaldi天線口徑場的設計復雜程度更高，它需要對Vivaldi天線槽線不同位置處得零折射 率結構進行大量的優(yōu)化計算，才能實現(xiàn)對槽線內口徑場分布的良好改善。更重要的是，零折 射率超材料都是窄帶結構，只能在很窄的頻帶范圍內提高Vivaldi天線的增益，不能滿足 Vivaldi天線的寬帶需求。另外，利用傳統(tǒng)的矩形槽縫對Vivaldi天線邊緣進行波紋處理，需 要利用不同長度的矩形槽縫才能對Vivaldi天線邊緣處理充分，不利于漸變開槽天線的建 模設計。
【發(fā)明內容】
[0009] 本發(fā)明要解決的技術問題是，提供一種寬帶高增益Vivaldi天線新結構--雙開 槽結構，可W提高Vivaldi天線全部工作頻帶內的福射增益。
[0010] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術方案：
[0011] 一種寬帶高增益雙開槽Vivaldi天線包括:介質板，一面具有金屬層作為上表面； 雙開槽漸變槽線，設置在介質板的上表面上，呈指數形漸變的卿趴狀開口；邊緣波紋，設置 在介質板上表面上;饋電單元，設置在介質板下表面上，對漸變槽線進行饋電；其中，
[0012]所述雙開槽漸變槽線包含上下對稱設置的四根指數漸變線，指數漸變線的參考坐 標系如下:x軸與介質板長邊平行，正向為漸變槽線開口方向；y軸與介質板窄邊平行，y軸正 向可為介質板窄邊所在直線兩方向中的任意方向；坐標系原點位于窄邊的對稱中屯、與長邊 長度的5/24處，長邊的較長一邊為漸變槽線所在，所述四根指數漸變線的參數方程為：
[0017] 其中，g為雙開槽漸變槽線的起始寬度，W為天線的總寬度，L為天線的槽線長度，Ls 為天線中間福射臂的長度，Ws為雙開槽漸變槽線兩個起始點間的距離；
[0018] 所述波紋邊緣由寬度和間距分別為Wce和Sce的指數形槽縫構成，指數形槽縫的邊 緣線是利用式(3)、（4)畫出，其中，X的取值范圍為[L-tce，L]。
[0019] 作為優(yōu)選，所述饋電單元包括:微帶傳輸線，兩個金屬化過孔、兩個圓形槽;其中， 所述微帶傳輸線包括:一個T形功分器和兩段L形微帶連接線，微帶傳輸線位于介質板下表 面，用于傳輸電流，微帶傳輸線與介質板上表面的金屬層材料相同；金屬化過孔貫穿介質 板，用于連接微帶傳輸線和金屬層，將微帶傳輸線上的電流傳導至金屬層上;兩圓形槽與雙 開槽漸變槽線相連，用于近似開路槽線。
[0020] 作為優(yōu)選，所述介質板為厚度為1mm，介電常數為2.65,損耗角正切為0.001的聚四 氣乙締玻璃布板;金屬層是粘貼在介質板上的銅薄片，金屬層長度為145mm，寬度為80mm，厚 度為 0.018mm。
[0021] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] 本發(fā)明Vivaldi天線采用一種新的雙開槽漸變槽線結構，與傳統(tǒng)的Vivaldi天線結 構相比，該結構在尺寸和工作頻帶上基本保持不變，并能在整個工作頻帶范圍內顯著地提 高天線的福射增益，同時降低了高頻處介質板材料對天線福射性能的影響，明顯改善了傳 統(tǒng)Vivaldi天線的波束分裂現(xiàn)象;采用了一種新的波紋邊緣，構成運種波紋邊緣的槽縫和漸 變開槽天線的槽線擁有相同的變化方式，Vivaldi天線的運種波紋邊緣是由指數變化的槽 縫構成的，運種波紋邊緣能夠對漸變開槽天線的邊緣進行充分的波紋處理，能夠更好地改 善天線的低頻性能。
[0023] 1、與利用介質"引向器"提高Vivaldi天線增益相比，本發(fā)明結構簡單，成本較低， 效果更好。
[0024] 2、與利用零折射率超材料提高Vivaldi天線增益相比