CN106532270A - 用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，包括介质基板、设置在介质基板顶层上的槽线金属区域以及设置在介质基板底层上的Z形微带线和贴片电阻；Z形微带线由阻抗变换微带线、耦合微带线以及阻抗调配微带线依次连接构成。该电阻加载小型化Vivaldi天线与现有技术相比尺寸缩减50％以上，增益适中，通过PCB工艺加工方便，便于集成，满足于系统应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化Vivaldi天线，尤其是一种用于电磁辐射测量系统的电阻加载的小型化Vivaldi天线。
背景技术
近年来，Vivaldi天线由于具有工作频带宽、增益稳定、波束对称、便于集成与结构简单等特点已广泛运用于通信和测量系统、雷达系统以及生物医学探测等领域。由于超宽带天线通常会使用在各种终端中，则必须面对低剖面、结构简单、小型化等要求，性能与尺寸之间的权衡成为考虑的重点。实际上传统的Vivaldi天线作为一种端射行波天线，工作频带被天线口径尺寸限制，一般认为，渐变槽天线的开口宽度和天线长度应满足：W≥λL，2λL≤12λL，λL是最低工作频率时的自由空间波长，这样天线才能以行波机制工作。因而，工作频率越低，则天线尺寸所需面积越大。
现今Vivaldi天线的设计在某些特定应用中要实现宽频带小型化的特性已经不能满足传统Vivaldi天线的基本要求，其阻抗带宽虽然已经满足了超宽带特性，但是其辐射方向图已经不能满足端射特性，本质上已经从行波天线变为了具有多谐振模式的谐振型天线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的Vivaldi天线要实现宽频带小型化的特性已经不能满足传统Vivaldi天线的基本要求。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，包括介质基板、设置在介质基板顶层上的槽线金属区域以及设置在介质基板底层上的Z形微带线和贴片电阻；Z形微带线由阻抗变换微带线、耦合微带线以及阻抗调配微带线依次连接构成，且阻抗变换微带线与耦合微带线相垂直，耦合微带线与阻抗调配微带线相垂直，阻抗调配微带线与介质基板的前侧边缘相平行；在槽线金属区域的前侧边缘处设有圆形槽线；在圆形槽线的后侧连接设置有矩形过渡槽线，且矩形过渡槽线的开槽方向与介质基板的左右侧边相平行；在矩形过渡槽线的后侧连接设置有渐变槽线，渐变槽线的两条槽边分别延伸至介质基板后侧的两个顶角处；在矩形过渡槽线连接圆形槽线一端的侧边处设有第一金属通孔；在介质基板前侧右顶角处设有第二金属通孔；耦合微带线的端部通过第一金属通孔与介质基板顶层上的槽线金属区域相连通；阻抗调配微带线的端部与贴片电阻的一端相连；贴片电阻的另一端通过第二金属通孔与介质基板顶层上的槽线金属区域相连通。
该小型化Vivaldi天线加工方便，便于安装集成、体积小以及频带宽，能够满足低频工作状态下，体积尽可能小以及便于集成的目的；采用耦合微带线端部在与圆形槽线相连的矩形过渡槽线端部边沿处通过第一金属通孔与介质基板顶层槽线金属区域相连形成短路，使得耦合微带线到与圆形槽线相连的矩形过渡槽线端部耦合部分的反射系数减小，使工作带宽增宽；采用贴片电阻加载引入损耗，降低天线对应电路品质因数，以及与阻抗调配微带线对天线输入阻抗调节的配合，拓宽了低频工作带宽。
作为本发明的进一步限定方案，渐变槽线呈喇叭状。采用呈喇叭状的渐变槽线能够从控制波束方向的作用变成了控制谐振点、阻抗匹配等作用。
作为本发明的进一步限定方案，圆形槽线直径D的范围为9.5mm-10.5mm。圆形槽线直径D的调节可改变高频工作点。
作为本发明的进一步限定方案，矩形过渡槽线的长度l2范围为8mm-10mm，宽度w2的范围为0.4mm-0.5mm。矩形过渡槽线的尺寸调节可改变高频工作点。
作为本发明的进一步限定方案，阻抗变换微带线的长度范围为18.5mm-19.5mm，宽度w1的范围为2.6mm-3mm。
作为本发明的进一步限定方案，耦合微带线的长度范围为21.24mm-25.24mm，宽度w3的范围为1.8mm-2mm。
作为本发明的进一步限定方案，阻抗调配微带线的长度l4范围为19mm-21mm，宽度w4的范围为1.8mm-2.2mm。
作为本发明的进一步限定方案，第一金属通孔的边沿与矩形过渡槽线5边沿相距为1mm-2mm。第一金属通孔4边沿与矩形过渡槽线5边沿相距1mm-2mm作为金属托盘位置。
本发明的有益效果在于：(1)该小型化Vivaldi天线加工方便，便于安装集成、体积小以及频带宽，能够满足低频工作状态下，体积尽可能小以及便于集成的目的；(2)采用耦合微带线末端在与圆形槽线相连的矩形过渡槽线末端边沿处通过第一金属通孔与介质基板顶层槽线金属区域相连形成短路，使得耦合微带线到与圆形槽线相连的矩形过渡槽线末端耦合部分的反射系数减小，使工作带宽增宽；(3)采用贴片电阻加载引入损耗，降低天线对应电路品质因数，以及与阻抗调配微带线对天线输入阻抗调节的配合，拓宽了低频工作带宽。
附图说明
图1为本发明的天线顶层结构示意图；
图2为本发明的天线侧面结构示意图；
图3为本发明的耦合微带线到矩形过渡槽线端部耦合部分的部分等效电路图一；
图4为本发明的耦合微带线到矩形过渡槽线端部耦合部分的部分等效电路图二；
图5为本发明的耦合微带线到矩形过渡槽线端部耦合部分的部分等效电路图三；
图6为本发明的天线电阻加载等效电路图；
图7为本发明的小型化Vivaldi天线与未设置阻抗调配微带线和贴片电阻前的天线的反射系数S11对比图；
图8为本发明的小型化Vivaldi天线增益随频率变化趋势图。
图中：1、介质基板，2、槽线金属区域，3、圆形槽线，4、第一金属通孔，5、矩形过渡槽线，6、渐变槽线，7、阻抗变换微带线，8、耦合微带线，9、阻抗调配微带线，10、贴片电阻，11、第二金属通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1和2所示，本发明公开了一种用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，包括介质基板1、设置在介质基板1顶层上的槽线金属区域2以及设置在介质基板1底层上的Z形微带线和贴片电阻10；Z形微带线由阻抗变换微带线7、耦合微带线8以及阻抗调配微带线9依次连接构成，且阻抗变换微带线7与耦合微带线8相垂直，耦合微带线8与阻抗调配微带线9相垂直，阻抗调配微带线9与介质基板1的前侧边缘相平行；在槽线金属区域2的前侧边缘处设有圆形槽线3；在圆形槽线3的后侧连接设置有矩形过渡槽线5，且矩形过渡槽线5的开槽方向与介质基板1的左右侧边相平行；在矩形过渡槽线5的后侧连接设置有渐变槽线6，渐变槽线6的两条槽边分别延伸至介质基板1后侧的两个顶角处；在矩形过渡槽线5连接圆形槽线3一端的侧边处设有第一金属通孔4；在介质基板1前侧右顶角处设有第二金属通孔11；耦合微带线8的端部通过第一金属通孔4与介质基板1顶层上的槽线金属区域2相连通；阻抗调配微带线9的端部与贴片电阻10的一端相连；贴片电阻10的另一端通过第二金属通孔11与介质基板1顶层上的槽线金属区域2相连通；渐变槽线6呈喇叭状；圆形槽线3直径D的范围为9.5mm-10.5mm；矩形过渡槽线5的长度l2范围为8mm-10mm，宽度w2的范围为0.4mm-0.5mm；阻抗变换微带线7的长度范围为18.5mm-19.5mm，宽度w1的范围为2.6mm-3mm；耦合微带线8的长度范围为21.24mm-25.24mm，宽度w3的范围为1.8mm-2mm；阻抗调配微带线9的长度l4范围为19mm-21mm，宽度w4的范围为1.8mm-2.2mm；第一金属通孔4的边沿与矩形过渡槽线5边沿相距为1mm-2mm。
本发明的电阻加载小型化Vivaldi天线中，介质基板1底层的耦合微带线8端部在与圆形槽线3相连的矩形过渡槽线5端部边沿处通过金属通孔4与介质基板1顶层槽线金属区域2相连形成短路。介质基板1底层阻抗变换微带线7一侧设置延伸阻抗调配微带线9，阻抗调配微带线9端部连接贴片电阻10，贴片电阻10另一端通过金属通孔11与介质基板1顶层金属辐射区2相连形成闭合回路。阻抗变换微带线7端部为馈电端口。均可用PCB工艺实现。
介质基板1采用FR4，介电常数取4.4，厚度h为2mm，长度w(金属辐射区域2长度)可取109mm-110.5mm(此参数的调节可改变低频工作点)，选取110mm，槽线金属区域2中包含圆形槽线3直径D可取9.5mm-10.5mm(此参数的调节可改变高频工作点)，选取10mm，圆形槽线3连接矩形过渡槽线5长度l2可取8mm-10mm，选取9mm，宽度w2可取0.4mm-0.5mm(此参数的调节可改变高频工作点)，选取0.48mm，矩形过渡槽线5可调节渐变槽线6与耦合部分(耦合微带线8到与圆形槽线3相连的矩形过渡槽线5端部)间的阻抗匹配，矩形过渡槽线5连接渐变槽线6的末端宽度w可取109mm-110.5mm(此参数的调节可改变低频工作点)，选取110mmm，长度l1为50mm。介质基板1底层为阻抗变换微带线7长度为18.5mm-19.5mm，选取19mm(理论值由λg/4计算获得，频率取为中心频点，λg为阻抗变换微带线7导波波长)，宽度w1可取2.6mm-3mm，选取2.8mm(理论值由计算获得，Zo2为阻抗变换微带线7特征阻抗，Zport为天线馈电端口阻抗，Zom为耦合微带线8特征阻抗)，阻抗变换微带线7连接的耦合微带线8长度可取21.24mm-25.24mm，选取23.24mm，宽度w3可取1.8mm-2mm，选取1.9mm(理论值由Zom＝n2Zos计算获得，频率取为中心频点，Zom为耦合微带线8特征阻抗，Zos为矩形过渡槽线5特征阻抗)。介质基板1底层的耦合微带线8端部在与圆形槽线3相连的矩形过渡槽线5端部边沿处(第一金属通孔4边沿与矩形过渡槽线5边沿相距1mm-2mm作为金属托盘位置)通过第一金属通孔4与介质基板1顶层槽线金属区域2相连形成短路。阻抗变换微带线7端部为馈电端口，馈电端口阻抗Zport＝50Ω，此结构为所述未设置阻抗调配微带线9与贴片电阻10前的天线，以上参数取值范围内天线性能稳定。
如图3-6所示，等效电路图3中以下耦合部分都为耦合微带线8到与圆形槽线3相连的矩形过渡槽线5端部的耦合部分，Xm为耦合微带线8短路侧方向到耦合部分形成的电抗，Cm为耦合微带线8短路侧方向未短路前呈开路状态时终端形成的电容，θm为耦合微带线8短路侧方向未短路前呈开路状态时终端到耦合部分的电长度，Zom为耦合微带线8的特征阻抗，Xs为当圆形槽线3(为简化分析，圆形槽线3简化为与矩形过渡槽线5等宽的短路槽线)到耦合部分形成的电抗，Ls为圆形槽线3端部为短路状态形成的电抗，θs为圆形槽线3末端到耦合部分的电长度，Zos为矩形过渡槽线5特征阻抗，Zant为渐变槽线6输入阻抗，Zos为矩形过渡槽线5特征阻抗，Zant≈Zos，n为耦合微带线8到矩形过渡槽线5的耦合系数(有相关理论计算方法)，范围在0.86～1(随频率发生变化)，通过对等效电路3的进一步化简，将槽线部分计算等效至微带线部分得到等效电路图4-5，在等效电路图4-5中，等效电路耦合部分反射系数 耦合部分的等效阻抗Zesm＝R+j(Xm+X)，根据耦合部分反射系数Γ，耦合微带线8端部在与圆形槽线3相连的矩形过渡槽线5端部边沿处通过第一金属通孔4与介质基板1顶层槽线金属区域2相连形成短路，Xm在各工作频点都趋于很小，再者圆形槽线3的结构设置，使得X各工作频点都趋于很小，使得耦合部分反射系数Γ减小，当n2Zos＝Zom时，Γ＝0。
如图6所示，ZL2为未设置阻抗调配微带线9与贴片电阻10前的天线各频点(频点间隔尽量小)输入阻抗，由等效电路中分析可得各工作频点下的ZL2电路分析较复杂，可通过电磁仿真软件建模计算得到，ZL1为耦合微带线8右侧以内输入阻抗，Zesm即为等效电路图5中的耦合部分的等效阻抗，θ2为阻抗变换微带线7的电长度，θ1为耦合微带线8电长度。
阻抗调配微带线9与贴片电阻10加载形成的阻抗ZL3范围可根据天线在工作频带内满足反射系数求得，Zport为天线馈电端口阻抗。
介质基板底层阻抗变换微带线7一侧设置延伸阻抗调配微带线9，阻抗调配微带线9末端连接贴片电阻10的结构数值可由ZL3获得，根据Rload为贴片电阻10阻值，θ3为阻抗调配微带线9电长度(可得到阻抗调配微带线9长度)，Zo3为阻抗调配微带线9特征阻抗(可得到阻抗调配微带线9宽度)。
根据未设置阻抗调配微带线9与贴片电阻10前的天线馈电端口阻抗Zport＝50Ω以及介质基板1介电常数为4.4，厚度h为2mm，选取贴片电阻10的阻值Rload＝51Ω(与天线馈电端口阻抗Zport阻值相近较易实现)，根据电路分析计算得到阻抗调配微带线9长度l4可取19mm-21mm，宽度w4可取1.8mm-2.2mm，能满足工作频带内各频点反射系数S11≤-10dB，天线工作带宽为0.4GHz-5.7GHz，如图7和8所示，低频工作点由未设置阻抗调配微带线与贴片电阻前的0.8GHz拓宽至0.4GHz，尺寸仅为110mm×97mm×2mm，与现有技术相比尺寸缩减50％以上，天线增益适中，最大增益达6.3dBi，满足于该系统应用需求。
Claims (8)
1.用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：包括介质基板(1)、设置在介质基板(1)顶层上的槽线金属区域(2)以及设置在介质基板(1)底层上的Z形微带线和贴片电阻(10)；Z形微带线由阻抗变换微带线(7)、耦合微带线(8)以及阻抗调配微带线(9)依次连接构成，且阻抗变换微带线(7)与耦合微带线(8)相垂直，耦合微带线(8)与阻抗调配微带线(9)相垂直，阻抗调配微带线(9)与介质基板(1)的前侧边缘相平行；在槽线金属区域(2)的前侧边缘处设有圆形槽线(3)；在圆形槽线(3)的后侧连接设置有矩形过渡槽线(5)，且矩形过渡槽线(5)的开槽方向与介质基板(1)的左右侧边相平行；在矩形过渡槽线(5)的后侧连接设置有渐变槽线(6)，渐变槽线(6)的两条槽边分别延伸至介质基板(1)后侧的两个顶角处；在矩形过渡槽线(5)连接圆形槽线(3)一端的侧边处设有第一金属通孔(4)；在介质基板(1)前侧右顶角处设有第二金属通孔(11)；耦合换微带线(8)的端部通过第一金属通孔(4)与介质基板(1)顶层上的槽线金属区域(2)相连通；阻抗调配微带线(9)的端部与贴片电阻(10)的一端相连；贴片电阻(10)的另一端通过第二金属通孔(11)与介质基板(1)顶层上的槽线金属区域(2)相连通。
2.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：渐变槽线(6)呈喇叭状。
3.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：圆形槽线(3)直径D的范围为9.5mm-10.5mm。
4.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：矩形过渡槽线(5)的长度l2范围为8mm-10mm，宽度w2的范围为0.4mm-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：阻抗变换微带线(7)的长度范围为18.5mm-19.5mm，宽度w1的范围为2.6mm-3mm。
6.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：耦合微带线(8)的长度范围为21.24mm-25.24mm，宽度w3的范围为1.8mm-2mm。
7.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：阻抗调配微带线(9)的长度l4范围为19mm-21mm，宽度w4的范围为1.8mm-2.2mm。
8.根据权利要求1所述的用于电磁辐射测量系统的电阻加载小型化Vivaldi天线，其特征在于：第一金属通孔(4)的边沿与矩形过渡槽线5边沿相距为1mm-2mm。
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