CN106549225A - 一种超宽带对跖Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带对跖Vivaldi天线，包括基板（1），所述基板（1）正反面的辐射贴片（2）为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片（2）关于主轴辐射方向旋转对称；所述辐射贴片（2）包括左右向首尾一体相连的矩形贴片（5）和弧形贴片（6），所述弧形贴片（6）由两条指数渐变线、一条垂直线（9）和一条水平线（10）围成；所述矩形贴片（5）的自由端与所述基板（1）的边缘平齐，所述基板（1）在主轴辐射方向上向外延伸有梯形基板（11）。本发明提供的一种超宽带对跖Vivaldi天线，具有馈电简单、频带宽、辐射方向性好，增益峰值偏移角度小，实现高频增益的特点。

Description

一种超宽带对跖Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及一种超宽带对跖Vivaldi天线，属于天线技术领域。
背景技术
超宽带天线作为超宽带通信的关键技术，成为近年来天线领域研究的热点。与传统的窄带无线通信系统相比，超宽带无线通信系统具有高传输速率、高系统容量、高定位精度、低发射功率、低截获概率、低成本、小体积等众多优点和潜力。
对拓Vivaldi天线是一种渐变槽线，端射行波天线，具有较好的宽频带特性、定向辐射特性和固定的相位中心，且结构简单、易于加工、易于馈电、便于集成等优点，无论单独使用还是作为阵列单元都具有良好的性能。因此，Vivaldi天线十分适合超宽带无线通信系统。在不久的将来，我们将会看到超宽带技术广泛地应用于多媒体无线通信、雷达、定位、监测、控制乃至医学应用领域。超宽带技术的前景广阔，发展潜力巨大。
但是，现有的常规对跖Vivaldi天线在E面方向图的峰值存在偏移，方向图不对称和增益偏低的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有馈电简单、频带宽、辐射方向性好，增益峰值偏移角度小，实现高频增益的超宽带对跖Vivaldi天线；进一步地，本发明提供一种结构固定，易于制作，并且辐射方向性好、辐射效率高的超宽带对跖Vivaldi天线。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种超宽带对跖Vivaldi天线，包括基板，所述基板正反面的辐射贴片为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片关于主轴辐射方向旋转对称；所述辐射贴片包括左右向首尾一体相连的矩形贴片和弧形贴片，所述弧形贴片由两条指数渐变线、一条垂直线和一条水平线围成，两条所述指数渐变线分别为内指数渐变线和外指数渐变线，所述内指数渐变线的末端与垂直线一端相连，所述垂直线的末端与外指数渐变线的末端由所述水平线相连；所述矩形贴片的自由端与所述基板的边缘平齐，所述基板在主轴辐射方向上向外延伸有梯形基板。
所述内指数渐变线满足如下方程式y＝0.0581×e0.1611x-0.5787；所述外指数渐变线满足如下方程式
所述基板的长度Ls为40.8mm，宽度Ws为57.45mm，厚度Hs为0.508mm。
所述矩形贴片的x轴方向的长度Lf为1.7mm，y轴方向的宽度Wf为1.0mm。
所述内指数渐变线的x轴方向的长度Lfi为31.9mm，高度为Hfi/2＝9.35mm；所述外指数渐变线的x轴方向的长度Lfo＝17.8mm，高度Hfo/2＝21.5mm。
所述弧形贴片的自由端与所述基板边缘存在距离，即所述水平线和垂直线均距所述基板边缘存在距离。
所述辐射贴片厚度为0.036mm。
所述梯形基板为等腰梯形，所述梯形基板的下底为长边且与所述基板边缘无缝连接，所述梯形基板的下底长度与两条所述内指数渐变线的高度和相同，所述梯形基板的上底为短边且长度Lt为10.8mm，所述梯形基板的高度Ht为19.9mm。
所述基板的板材为RO4003C。
所述基板包括矩形。
所述辐射贴片和梯形基板在所述基板上均为上下向居中设置，矩形贴片的左侧边与基板的左侧边相平齐，水平线与基板的上侧边相平行且距离基板的上侧边或下侧边一定距离，垂直线与基板的右侧边相平行且距离右侧边一定距离。
主轴为基板的上下向均分线，主轴辐射方向即为沿着主轴从左到右辐射。
本发明在厚度为0.508mm的RO4003C基板上实现，整体结构简单，制作方便。为了提高传统Vivaldi天线的高频增益，缩小增益峰值偏移角度，实现超宽带特性，设计了一种旋转对称型的对跖Vivaldi天线，并在天线主轴辐射方向加载梯形基板。从而有效地消除天线增益峰值的偏移问题，使主轴方向的辐射性能最好，并且很大程度地提高了该天线的高频增益值。基于CST电磁仿真软件(基于时域有限积分法)对天线进行仿真优化设计，从而确定每个电磁参数的尺寸。然后，使用Altium Designer软件进行该天线的PCB版图的绘制，并加工实物。最后，使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪测试驻波比，在微波暗室里测量天线的增益。经过实物加工后的微调，最终实测结果和仿真结果基本吻合，该新型超宽带对跖Vivaldi天线驻波比小于2的阻抗带宽为3.5-40GHz，阻抗带宽内的最小增益为3.1dB，最大增益为12.6dB。
本发明提供的一种超宽带对跖Vivaldi天线，正反面的辐射贴片为相同结构的对跖型Vivaldi天线的设置，实现了天线的超宽带和小型化，而且正反两面结构完全一致，方向图对称性较好，增益峰值偏移角度小，辐射方向性好；弧形贴片的自由端与基板边缘存在距离的设置，使本发明馈电简单，辐射效率高；指数型结构的函数表达式，使本发明结构固定，易于制作，并且辐射方向性好、辐射效率高；梯形基板的设置，有效地消除天线增益峰值的偏移问题，使主轴方向的辐射性能最好，并且很大程度地提高了该天线的高频增益值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明驻波比仿真结果示意图；
图3为本发明驻波比实测结果示意图；
图4为本发明增益仿真结果示意图；
图5为本发明增益实测结果示意图；
图6为本发明辐射效率仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种超宽带对跖Vivaldi天线，包括基板1，所述基板1正反面的辐射贴片2为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片2关于主轴辐射方向旋转对称；所述辐射贴片2包括左右向首尾一体相连的矩形贴片5和弧形贴片6，所述弧形贴片6由两条指数渐变线、一条垂直线9和一条水平线10围成，两条所述指数渐变线分别为内指数渐变线7和外指数渐变线8，所述内指数渐变线7的末端与垂直线9一端相连，所述垂直线9的末端与外指数渐变线8的末端由所述水平线10相连；所述矩形贴片5的自由端与所述基板1的边缘平齐，所述基板1在主轴辐射方向上向外延伸有梯形基板11。
所述内指数渐变线7满足如下方程式y＝0.0581×e0.1611x-0.5787；所述外指数渐变线8满足如下方程式
所述基板1的长度Ls为40.8mm，宽度Ws为57.45mm，厚度Hs为0.508mm。
所述矩形贴片5的x轴方向的长度Lf为1.7mm，y轴方向的宽度Wf为1.0mm。
所述内指数渐变线7的x轴方向的长度Lfi为31.9mm，高度为Hfi/2＝9.35mm；所述外指数渐变线8的x轴方向的长度Lfo＝17.8mm，高度Hfo/2＝21.5mm。
所述弧形贴片6的自由端与所述基板1边缘存在距离，即所述水平线10和垂直线9均距所述基板1边缘存在距离。
所述辐射贴片2厚度为0.036mm。
所述梯形基板11为等腰梯形，所述梯形基板11的下底为长边且与所述基板1的右侧边无缝连接，所述梯形基板11的下底长度与两条所述内指数渐变线7的高度和相同，所述梯形基板11的上底为短边且长度Lt为10.8mm，所述梯形基板11的高度Ht为19.9mm。
所述基板1的板材为RO4003C。
所述基板1为矩形。
为了改变常规对跖Vivaldi天线E面方向图的峰值偏移问题，同时考虑提高天线的增益，本发明对传统对跖Vivaldi天线进行改进，基板1两侧的金属层(即辐射贴片2)采用相同结构，并在主轴方向加载梯形基板11。该天线的带宽为3.5-40GHz，带宽内增益为3.1-12.6dB，具有馈电简单、频带宽、辐射方向性好，增益峰值偏移角度小的特点，因此在超宽频带的移动通讯天线、双极化天线和相控阵扫描天线等方面有着广泛的应用前景。该天线具结构简单、超带宽、增益高、辐射方向性好，增益峰值偏移角度小的特点，可广泛地应用于多媒体无线通信、雷达、定位、监测、控制乃至医学应用领域，应用前景广阔，发展潜力巨大。
本发明对常规对跖Vivaldi天线结构进行改进，该超宽带对跖Vivaldi天线的正反面金属辐射贴片2结构完全相同，关于主轴辐射方向旋转对称。这样可以有效地修正天线方向图的不对称性。此外，在主轴辐射方向上加载梯形基板11，这样可以将电流更好地约束在天线的主轴方向上，不但克服了常规对跖Vivaldi天线方向图不对称和峰值偏移的的缺点，同时具有更高增益和更好的方向性。
本发明基于CST电磁仿真软件对该天线的辐射贴片2结构以及梯形基板11结构的尺寸参数进行了优化设计，最终确定了该天线的整体结构。
如图2所示，为该天线驻波比仿真结果示意图，该天线在2-40GHz频带内具有较好的驻波特性，驻波均比小于3；在2.4-40GHz范围内，驻波比小于2。
如图3所示，为该天线驻波比实测结果示意图。使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪对天线的驻波比进行测量，2-40GHz的驻波比测试结果如图6所示。由实测结果可知，该天线在2-40GHz频率范围内驻波比小于2.5，在3.5-40GHz频率范围内驻波比小于2，倍频带宽为11.4。结合图2的驻波比仿真结果可知，驻波比的实测结果与仿真结果趋势基本一致。
如图4所示，为该天线增益仿真结果示意图，由图可知在低频段增益较低，高频段增益较高。在2-40GHz频率范围内，天线的最高增益13.22dB，最低增益0.9dB。
如图5所示，为该天线增益实测结果示意图，在微波暗室测量该天线的增益，在频率3.5-40GHz频率范围内，实测增益值在3.1-12.6dB。在3.5-30GHz频率范围内，增益的实测结果与仿真结果基本吻合，两者的差值小于1dB。由于该天线在高频时基板和射频接头的损耗较大，所以在30-40GHz频率范围内，该天线实测增益值与仿真增益值相比，小1-2dB。
如图6所示，为该天线辐射效率仿真结果示意图，由图可知：在2-40GHz频率范围内，辐射效率较高，大于90％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，包括基板(1)，所述基板(1)正反面的辐射贴片(2)为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片(2)关于主轴辐射方向旋转对称；所述辐射贴片(2)包括左右向首尾一体相连的矩形贴片(5)和弧形贴片(6)，所述弧形贴片(6)由两条指数渐变线、一条垂直线(9)和一条水平线(10)围成，两条所述指数渐变线分别为内指数渐变线(7)和外指数渐变线(8)，所述内指数渐变线(7)的末端与垂直线(9)一端相连，所述垂直线(9)的末端与外指数渐变线(8)的末端由所述水平线(10)相连；所述矩形贴片(5)的自由端与所述基板(1)的边缘平齐，所述基板(1)在主轴辐射方向上向外延伸有梯形基板(11)。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述内指数渐变线(7)满足如下方程式y＝0.0581×e0.1611x-0.5787；所述外指数渐变线(8)满足如下方程式
3.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述基板(1)的长度Ls为40.8mm，宽度Ws为57.45mm，厚度Hs为0.508mm。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述矩形贴片(5)的x轴方向的长度Lf为1.7mm，y轴方向的宽度Wf为1.0mm。
5.根据权利要求2所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述内指数渐变线(7)的x轴方向的长度Lfi为31.9mm，高度为Hfi/2＝9.35mm；所述外指数渐变线(8)的x轴方向的长度Lfo＝17.8mm，高度Hfo/2＝21.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述弧形贴片(6)的自由端与所述基板(1)边缘存在距离，即所述水平线(10)和垂直线(9)均距所述基板(1)边缘存在距离。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述辐射贴片(2)厚度为0.036mm。
8.根据权利要求5所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述梯形基板(11)为等腰梯形，所述梯形基板(11)的下底为长边且与所述基板(1)边缘无缝连接，所述梯形基板(11)的下底长度与两条所述内指数渐变线(7)的高度和相同，所述梯形基板(11)的上底为短边且长度Lt为10.8mm，所述梯形基板(11)的高度Ht为19.9mm。
9.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述基板(1)的板材为RO4003C。
10.根据权利要求1所述的一种超宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于：所述基板(1)包括矩形。
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