一种高峰值功率的超宽带对踵型Vivaldi天线的制作方法

一种高峰值功率的超宽带对踵型vivaldi天线
技术领域
1.本发明属于天线技术领域，具体涉及到一种高峰值功率的超宽带对踵型 vivaldi天线。


背景技术：

2.无线短脉冲具有隐蔽性好、速度快、穿透能力和抗干扰能力强的优点，故广泛地应用在军事和民用的超宽带通信中。目前，常用的高功率脉冲天线有双圆锥天线、tem喇叭天线、槽天线等。自上世纪六十年代起，国外学者就开始了对脉冲天线及其辐射理论的广泛研究，并取得了一定的研究成果，其中典型的天线有偶极子天线、双锥偶极子天线等一系列宽带偶极子天线，后来又出现了喇叭天线、发射面天线等典型的高功率脉冲天线。到了七十年代，迅速发展的快上升沿脉冲形成技术、脉冲取样技术和计算机技术等研究带动着超宽带无线电技术向前发展，电阻加载的偶极子天线以及双锥天线等改进型宽带天线随即被提出来了；同时为了减小天线的尺寸，之后对偶极子天线的研究又转向单极子天线方向。
3.在国内，对脉冲天线的研制始于上个世纪，当时主要是为了应用在探地雷达系统以及后来的隔墙探物研究中，也出现了一些改进型的超宽带天线，比较有代表性是国防科技大学设计的用于这类系统的加脊圆锥tem喇叭天线和平面结构的tem喇叭天线。八十年代后，国内的高功率脉冲技术发展较快，促使高功率脉冲天线的研究获取了一些进步。其中，比较典型的有西北核技术研究所研发了一种将线框馈电与tem喇叭结构和抛物反射面结构结合的脉冲天线，该天线辐射的高功率脉冲宽度能达到亚纳秒量级。中国工程物理研究院在双锥天线结构基础上添加了同轴过渡线和输出透镜，但总体来说，国内对于脉冲技术及脉冲天线的研究还不够完善和深入。已研究的高功率超宽带天线基本上要么体积和尺寸都较大、结构较为复杂，要么为非平面结构不易与小型化设备集成，要么难以提高功率容量。因此，如何降低成本研制小型化、易集成、高增益、耐高压的超宽带天线是现阶段超宽带高功率微波技术领域一个比较重要的研究方向。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种高峰值功率的超宽带对踵型vivaldi天线。该天线由同轴线馈电，通过微带巴伦实现同轴馈电的不平衡馈电问题，微带巴伦部分直接连接 vivaldi天线的辐射槽线部分。通过调整指数渐变曲线的曲率，在vivaldi天线辐射贴片两侧开不同形式的槽，减少与辐射方向垂直的电流，将分散在辐射贴片上的电流聚集在槽线部分，使更多的信号能量沿着槽线辐射出去；在降低带宽的同时提高了天线的辐射能力；天线采用异面结构，介质基板采用fr
‑
4材料，这样能有效的起到耐高压的作用。本发明能有效减小对踵vivaldi天线的尺寸，并且还有加工简单便捷、结构紧凑，耐高压等优点。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种高峰值功率的超宽带对踵型vivaldi天线，包括矩形介质基板(1)、微带巴伦结构(4)、辐射贴片。
7.所述辐射贴片包括分别设置于介质基板上、下表面的第一辐射贴片(2)、第二辐射贴片(3)。
8.所述第一辐射贴片(2)的结构由依次连接的第一指数曲线段(2
‑
1)、横向直线段l1、纵向长直线段w1、第二指数曲线段(2
‑
2)、短纵向直线段w2围成。其中，所述横向直线段l1、纵向长直线段w1分别与介质基板的两条边重合，短纵向直线段w2与微带巴伦结构连接，且横向直线段l1中部设置有凹槽结构 (5)。
9.所述第二辐射贴片(3)的形状与第一辐射贴片(2)相同，且第一辐射贴片 (2)、第二辐射贴片(3)镜像对称设置。
10.所述微带巴伦结构(4)为双面渐近线微带巴伦，用于给辐射贴片馈电。
11.进一步地，所述凹槽(5)为向微带巴伦结构(4)方向倾斜的斜入式开槽结构。
12.进一步地，所述凹槽(5)为四个角均进行倒圆角操作的矩形槽结构。倒圆角操作使得辐射贴片上电流路径更加圆滑，减小电流反射，同时能够防止尖端放电现象。
13.进一步地，所述纵向长直线段w1与第二指数曲线段(2
‑
2)、横向直线段 l1的连接处也进行倒圆角操作。
14.进一步地，所述微带巴伦结构包括设置于介质基板正面的第一金属贴片 (4
‑
1)、设置于介质基板背面的第二金属贴片(4
‑
2)，所述第一金属贴片(4
‑
1) 通用两条1/4的渐变椭圆弧线将馈电同轴转换为微带线；所述第二金属贴片(4
‑
2) 为矩形微带线；所述渐变椭圆弧线的长宽比为1：2。
15.进一步地，所述短纵向直线段的长度与矩形微带线的线宽相同，连接处平滑过渡。
16.进一步地，所述长方形介质基板采用fr4材质的介质基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，耐压值为45kv/mm，尺寸为360mm
×
300mm
×
2mm。
17.vivaldi天线的辐射场主要由第二指数曲线段所辐射的场和辐射贴片边缘(即纵向长直线段)所辐射的场叠加组成。通过斜入式开槽能有效的减少分散在横向直线段上的电流，将更多的能量集中在第二指数曲线段上，从而有效的改善天线的定向性、增加天线的高频段辐射能量；同时，斜入式开槽还能有效的增加电流的有效路径长度(纵向长直线段方向)，从而起到扩展低频带宽，减小天线尺寸结构的作用。
18.本发明相对于现有技术，具有以下的优点：
19.1、对比现有的超宽带高功率天线，本发明能实现小型化、轻量化、平面化的特性，同时具有简单紧凑的优势，适用于高功率微波系统中。
20.2、对比其他平面超宽带天线，该天线在同等的尺寸下，具有极宽带宽、良好的端射特性的同时具有更稳定的时域特性，其辐射波型主副比明显，可适用于各种时域探测设备中。
附图说明
21.图1是本发明实施例天线结构示意图。
22.图2是本发明实施例天线正面结构示意图。
23.图3是本发明实施例天线背面结构示意图。
24.图4是本发明实施例天线回波损耗仿真曲线图。
25.图5是本发明实施例天线馈入信号。
26.图6是本发明实施例天线辐射信号图。
27.图7是本发明实施例天线归一化时域e面方向图。
28.图8是本发明实施例天线归一化时域h面方向图。
具体实施方式
29.以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
30.如图1所示，本实施例提供了一种高峰值功率的超宽带对踵型vivaldi天线，包括长方形介质基板(1)、辐射结构(2，3)、微带巴伦结构(4)。所述辐射结构包括结构相同对称设置于介质基板上、下表面的第一辐射贴片(2)、第二辐射贴片(3)。
31.如图2所示，所述第一辐射贴片(2)的结构由依次连接的第一指数曲线段 (2
‑
1)、横向直线段l1、纵向长直线段w1、第二指数曲线段(2
‑
2)、短纵向直线段w2围成。其中横向直线段l1长度为227mm，纵向长直线段长度w1为 62mm，短纵向直线段w2长度为3.6mm；第一指数曲线段(2
‑
1)中曲率r1为 0.12，第一指数曲线段起始端至终点端横向距离l2为62mm，第二指数曲线段 (2
‑
2)中曲率r2为0.01。第一、第二指数曲线段公式为：
[0032][0033][0034]
所述横向直线段l1与纵向长直线段w1连接处(2
‑
3)进行半径为12mm的倒圆角操作、纵向直线段w1与第二指数曲线段(2
‑
2)的连接处(2
‑
4)进行半径为33mm的倒圆角操作。
[0035]
所述横向直线段l1、纵向长直线段w1分别与介质基板(6)的两条边重合，且横向直线段l1中部设置有凹槽(5)，凹槽宽度s1为12mm，长度s2为96mm，所述凹槽(5)为斜入式矩形槽结构，且向微带巴伦结构(4)方向倾斜，顷斜角为30度。所述凹槽的四个角均进行倒圆角操作，其中外侧的部分(5
‑
1)进行24mm 倒圆角操作，伸入内部的部分(5
‑
2)进行6mm倒圆角操作。
[0036]
所述微带巴伦结构包括设置于介质基板正面的第一金属贴片(4
‑
1)、所述第一金属贴片(4
‑
1)通过两条1/4的渐变椭圆弧线将馈电同轴转换为微带线；所述渐变椭圆弧线的长宽比为1：2，渐变巴伦结构横向尺寸l3为58mm，两渐变椭圆弧线起始端间距宽度w3为260mm，微带宽度w2为3.6mm。
[0037]
如图3所示，设置于介质基板背面的第二金属贴片(4
‑
2)为矩形微带线，其长度l3为58mm，宽度w2为3.6mm。
[0038]
所述长方形介质基板(6)的边长ls为360mm，宽ws为300mm，采用相对介电常数为4.4，厚度为2mm的fr4介质材料。
[0039]
在图1中，标记的port表示天线馈电端口。
[0040]
图4为本实施例vswr的仿真曲线，由仿真曲线可见，带宽0.5～3.4ghz内 vswr小于1.5，带宽0.5～5ghz内vswr小于2，因此该天线拥有良好的宽带特性。
[0041]
图5为本实施例天线的馈入信号。信号为峰峰值脉宽300ps的双极脉冲信号。图6为本实施例天线辐射信号，其波形整洁，拖尾震荡小，波形幅度大，主副比明显。信号拖尾幅度比＞4:1，拖尾信号持续时间＜1.5t，具有良好的波形保真度。
[0042]
参见图7和图8，为本实施例天线的时域e面和h面归一化时域方向图，由图可知，该
天线具有良好的端射特性。