[发明专利]一种应用于成像系统的Vivaldi天线装置

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；