CN105337030A - Vivaldi天线以及天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Vivaldi天线，其特征在于，包括：介质板，一面具有金属层作为上表面；渐变槽线，设置在介质板的上表面上，呈喇叭形开口；馈电单元，设置在介质板上，对渐变槽线进行馈电；至少两个栅栏，设置在渐变槽线两侧，用于让电流向槽线集中；以及至少一个引向振子，固定在渐变槽线的开口侧，引导电磁波向着指定辐射方向进行传输，其中，引向振子的长度不大于渐变槽线的开口宽度的三分之一。

Description

Vivaldi天线以及天线装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种宽频带小型化高增益的Vivaldi天线以及Vivaldi天线装置。

背景技术

步入21世纪以来，随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化和社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求，无论是军事通信还是民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、高增益。

天线作为辐射和接收电磁波的装置，是无线电通信系统中的重要组成部分之一。在民用通信系统中，特别是轨道交通的自由无线通信系统，其信道容量不断扩充，传输距离不断延长，为了满足通信质量，往往采用大功率的发射机或是将信号放大后输入给天线，那么这样就大大增加了成本。

Vivaldi天线是一种宽频带天线，可以满足通信系统宽带化的要求。但是采用Vivaldi天线形式，如果要获得较高的增益，就必须增大辐射口径，这势必增大天线的体积。而车厢空间是有限的，需要天线的体积越来越小，以便于安装。

在电磁波辐射方向添加高介电常数的介质作为引向器，是提高Vivaldi天线增益的有效手段，但是高介电常数的引向器介质损耗大，会引起电磁波不必要的损耗，并且这样的天线需要采用两种不同介电常数的材料来制造，加工复杂，成本较高。

发明内容

本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种高增益、小型化的宽频带Vivaldi天线以及天线装置。

本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：

<结构一>

本发明提供一种Vivaldi天线，其特征在于，包括：介质板，一面具有金属层作为上表面；渐变槽线，设置在介质板的上表面上，呈喇叭形开口；馈电单元，设置在介质板上，对渐变槽线进行馈电；至少两个栅栏，设置在渐变槽线两侧，用于让电流向槽线集中；以及至少一个引向振子，固定在渐变槽线的开口侧，引导电磁波向着指定辐射方向进行传输，其中，引向振子的长度不大于渐变槽线的开口宽度的三分之一。

进一步，本发明所涉及的Vivaldi天线，还可以具有这样的特征：其中，栅栏为偶数个，按照特定间隔对向设置在渐变槽线两侧，位于同一侧的栅栏按照一定间距排列。

另外，本发明所涉及的Vivaldi天线，还可以具有这样的特征：其中，引向振子为至少两个，且沿着指定辐射方向按照预定间隔排列。

另外，本发明所涉及的Vivaldi天线，还可以具有这样的特征：其中，介质板的介电常数为4.4。

另外，本发明所涉及的Vivaldi天线，还可以具有这样的特征：引向振子的长度不大于渐变槽线的开口宽度的五分之一。

另外，本发明所涉及的Vivaldi天线，还可以具有这样的特征：其中，馈电单元包括：微带传输线，设置在介质板的下表面上，用于传输电流；金属化孔，贯穿介质板，将微带传输线与上表面相连；Y形槽线，位于介质板的上表面的一端中部；圆形槽线，与Y形槽线相连。

<结构二>

本发明还提供一种Vivaldi天线装置，其特征在于，包括：上述任一项所述的Vivaldi天线；和用于防护该Vivaldi天线的天线罩。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的Vivaldi天线，因为在渐变槽线的两侧设置栅栏，改变了金属层上的电流分布，使电流集中于渐变槽线，电磁波的辐射强度增大，从而使天线的增益提高；同时，在渐变槽线的开口侧设置引向振子，引导电磁波的辐射，使天线的增益进一步提高，因此该Vivaldi天线可以在保证宽频带并且保持天线小型化的同时有效提高天线的增益。

另外，在栅栏和引向振子的边缘会在缝隙辐射的作用下产生寄生电流，所有寄生电流合成的电场不仅可以增强辐射缝隙前向辐射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉极化电场分量，提高天线抗极化扭曲的能力，从而提高极化纯度。

附图说明

图1(a)是Vivaldi天线上表面的结构示意图，图1(b)是Vivaldi天线下表面的结构示意图；

图2是Vivaldi天线上表面的局部放大图；

图3是栅栏和引向振子的分布示意图；

图4是Vivaldi天线的原理示意图；

图5是Vivaldi天线装置的外部结构示意图；以及

图6是Vivaldi天线装置的部分结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的Vivaldi天线以及Vivaldi天线装置作详细阐述。

<实施例一>

图1(a)是Vivaldi天线上表面的结构示意图，图1(b)是Vivaldi天线下表面的结构示意图。

如图1所示，Vivaldi天线100包括介质板101、渐变槽线102、馈电单元103、八个栅栏104以及三个引向振子105。

如图1(a)所示，在本实施例中，介质板101的尺寸是136mm×63.9mm×1mm，介电常数为4.4，在本实施例中，为了便于安装，将介质板101的上下三个角部裁成切角，切角的尺寸仅与安装单元的尺寸相关。

介质板101的上表面具有金属层106，用于传导电流，在本实施例中，金属层106是粘贴在介质板101上的铜薄片，金属层106的长度是98mm。

渐变槽线102设置在介质板101的上表面，按照指数渐变，呈喇叭形开口，它包括左、右两根对称设置的指数线。这两根指数线的参数方程都是：y＝1.04e^0.0392z-0.89。

如图1所示，馈电单元103用于对渐变槽线102馈电和阻抗匹配。馈电单元103包括微带传输线107、金属化孔108、Y形槽线109以及圆形槽线110。微带传输线107固定在介质板101的下表面，用于传输电流，微带传输线107与金属层106的材料相同。金属化孔108贯穿介质板101，用于连接微带传输线107和金属层106，将微带传输线传输的电流传导至金属层106上。Y形槽线109设置在介质板101上表面下端的中部，它的底端与渐变槽线102相连。圆形槽线110与Y形槽线109的右端相连。

图2是Vivaldi天线上表面的局部放大图。

如图2所示，Y形槽线109包括三个矩形槽线111，每个矩形槽线111的尺寸都为3.5mm×0.3mm。其中一个矩形槽线111与渐变槽线102相连，另一个与圆形槽线110相连，圆形槽线110的直径为4mm。

如图1所示，在Vivaldi天线100中，栅栏104被设置在金属层106的渐变槽线102的两侧。在本实施例中，八个栅栏104被分成左右两组，关于介质板101的纵向中心线对称设置在渐变槽线102的两侧，并按照一定间隔对向设置，位于同一侧的四个栅栏104是按照一定的间距排列。每个栅栏104都向金属层106的外侧开口。

图3是栅栏和引向振子的分布示意图。

如图3所示，在本实施例中，位于渐变槽线102同一侧的四个栅栏104从渐变槽线102的起始端向开口端排列，四个栅栏104的尺寸依次为20.3mm×5mm、17.33mm×5mm、10.33mm×5mm、7.33mm×5mm；相邻两个栅栏104的间距依次为15mm、15mm和10mm，位于渐变槽线102起始端的栅栏104与介质板101的边缘的间距为27mm。两个对向的栅栏104之间的间隔从左往右依次为：23.3mm、29.24mm、43.24mm和49.24mm。

如图1、3所示，引向振子105被固定在介质板101上，位于渐变槽线102的开口侧，用于引导电磁波向如图3所示的辐射方向进行传输。在本实施例中，共设有三个引向振子105，沿着电磁波的辐射方向排列，引向振子105的材料与金属层106相同。三个引向振子105的尺寸均为12mm×5mm，沿着如图3所示的电磁波的辐射方向看，最内侧的引向振子105的右边缘与金属层106的边缘的水平距离为1.5mm，位于中间的引向振子105与最内侧的引向振子105的中心间距为17mm，最外侧的引向振子105与中间的引向振子105的中心间距为21mm。

如图1所示，Vivaldi天线100的介质板101上还设置有五个安装孔112，用于Vivaldi天线100的安装。

图4是Vivaldi天线的原理示意图。

由槽线的传输特性可知，处于匹配状态下的槽线，槽宽远小于半个工作波长，则导播能量被束缚在导体板之间而不会向外辐射。如图4所示，槽线的槽宽从左向右不断增大，W＜W1＜W2，当槽宽增大到大于半个工作波长时，天线单元向外辐射电磁波或接收电磁波。

在本实施例的Vivaldi天线100中，馈电单元103向渐变槽线102馈电，其中微带传输线107传输电流，然后通过金属化孔108传输到金属层106，Y形槽线109与微带传输线107耦合传输信号，圆形槽线110起到阻抗匹配的作用。馈电后电流主要沿着渐变槽线102分布，栅栏104的设置能够改变金属层106上的电流分布，使电流向渐变槽线102集中，从而增大电磁波的辐射强度，增大天线的增益；三个引向振子105被设置在电磁波的辐射方向，起到引导电磁波的作用，使更多的电磁波向辐射方向辐射，从而进一步提高天线的增益。在缝隙辐射的作用下，栅栏104和引向振子105的边缘会产生寄生电流，所有寄生电流合成的电场不仅可以增强辐射缝隙前向辐射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉极化电场分量，提高天线抗极化扭曲的能力，从而提高极化纯度。

另外，栅栏104和引向振子105的尺寸和分布通过电磁仿真软件HFSS优化确定。

圆形槽线110和Y形槽线109、金属化孔108使Vivaldi天线100的输入阻抗能与电缆特性阻抗50欧姆相匹配，从而在所要求的频率范围内使天线的输入阻抗与电缆的特性阻抗相等，从而增加天线的带宽。

<实施例二>

图5是Vivaldi天线装置的外部结构示意图。

如图5所示，Vivaldi天线装置200包括实施例一中所述的Vivaldi天线100(图中未示出)和用于防护Vivaldi天线100的天线罩201。

图6是Vivaldi天线装置的部分结构示意图。

如图5、6所示，天线罩201包括底座202、罩体203、接地柱204、射频接头205以及L形安装件206a和206b。

Vivaldi天线100通过与五个固定孔112相配合的两个L形安装件206a、206b以及五个固定件(图中未示出)被安装固定在底座202上。

罩体203安装在底座202上，并罩在Vivaldi天线100周围，起到防护作用。如图1、6所示，为了便于罩体203的安装，Vivaldi天线100的介质板101在靠近罩体203的位置设置了三个切角。

如图5所示，接地柱204安装在底座202底部，用金属物将接地柱204与大地连接起来，就可以起到防雷击的作用。

射频接头205也安装在底座202底部，与射频电缆相连，用于给天线提供高频信号(电流)。

如图6所示，Vivaldi天线装置200还包括电缆207，电缆207的一端连接在射频接头205上，另一端的内导体焊接在Vivaldi天线100的微带传输线107上，外导体焊接在Vivaldi天线100的介质板101上，将射频接头205输入的高频信号(电流)传输到微带传输线107上。

实施例的作用与效果

根据实施例一所涉及的Vivaldi天线，因为在传统的Vivaldi天线的基础上，在渐变槽线两侧设置向外开口的八个栅栏，改变金属层上的电流分布，使电流向渐变槽线集中，增大电磁波的辐射强度；在渐变槽线的开口侧设置三个引向振子，引导电磁波的辐射，因此有效地提高了该Vivaldi天线的增益。该Vivaldi天线可以在保持Vivaldi天线宽频带、小型化的基础上，将天线的增益从10dBi提高到12dBi。

另外，在栅栏和引向振子的边缘会在缝隙辐射的作用下产生寄生电流，所有寄生电流合成的电场不仅可以增强辐射缝隙前向辐射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉极化电场分量，提高天线抗极化扭曲的能力，从而提高极化纯度。

根据实施例二所涉及的Vivaldi天线装置，因为将Vivaldi天线安装在天线罩内，并且设有接地柱，通过金属物与大地连接，因此可以在Vivaldi天线的使用过程中起到防水、防腐、防摩擦、防雷击等作用，提高天线的使用寿命。

当然，以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，并不用于限定本发明的保护范围。

另外，Vivaldi天线中的栅栏和引向振子还可以设置为其他的尺寸和个数，也能在一定程度上提高天线的增益，但不如实施例一的技术效果好。

另外，在实施例一中，金属层是粘贴在介质板上的铜薄片，金属层还可以镀是介质板上的一层金属镀层。

Claims (7)

1.一种Vivaldi天线，其特征在于，包括：

介质板，一面具有金属层作为上表面；

渐变槽线，设置在所述介质板的所述上表面上，呈喇叭形开口；

馈电单元，设置在所述介质板上，对所述渐变槽线进行馈电；

至少两个栅栏，设置在所述渐变槽线两侧，用于让电流向槽线集中；以及

至少一个引向振子，固定在所述渐变槽线的开口侧，引导所述电磁波向着指定辐射方向进行传输，

其中，所述引向振子的长度不大于所述渐变槽线的开口宽度的三分之一。

2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

其中，所述栅栏为偶数个，按照特定间隔对向设置在所述渐变槽线两侧，位于同一侧的所述栅栏按照一定间距排列。

3.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

其中，所述引向振子为至少两个，且沿着所述指定辐射方向按照预定间隔排列。

4.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

其中，所述介质板的介电常数为4.4。

5.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

其中，所述引向振子的长度不大于所述渐变槽线的开口宽度的五分之一。

6.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

其中，所述馈电单元包括：微带传输线，设置在所述介质板的下表面上，用于传输电流；金属化孔，贯穿所述介质板，将所述微带传输线与所述上表面相连；Y形槽线，位于所述介质板的所述上表面的一端中部；圆形槽线，与所述Y形槽线相连。

7.一种Vivaldi天线装置，其特征在于，包括：

权利要求1～6中任一项所述的Vivaldi天线；和

用于防护所述Vivaldi天线的天线罩。