CN106571519A - 一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提供一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，包括基板，所述基板包括矩形基板和沿天线主轴辐射方向加载的梯形基板，所述梯形基板的下底与矩形基板相连，所述矩形基板的正反面印制有金属导体层，所述金属导体层包括金属辐射贴片，正反面的所述金属辐射贴片结构相同且关于主辐射方向旋转对称，所述金属辐射贴片的外边缘为槽线，所述槽线包括内指数渐变槽线和外指数渐变槽线。本发明所提供的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，辐射方向性好，增益峰值偏移角度小，增益高，在微波射频天线的研制领域具有重大的研究意义，可广泛地应用于无线通信、雷达、定位、监测、控制和医学等领域，发展潜力巨大。

Description

一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，属于微波射频天线技术领域。

背景技术

随着电子及网络通信技术的发展和进步，对宽带传输系统的需求越来越普遍，从而对宽带天线的设计也提出了更多的要求。超宽带通信技术以其高性能、高速率、低功耗、低成本等优点成为一项最具有竞争力的热门技术之一。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。超宽带无线通讯系统对超宽带天线除了要求天线具有很好的阻抗带宽，还要求高效率，固定的相位中心，低轮廓，易于馈电等，这给超宽带天线的设计提出了很高的要求。对跖Vivaldi天线是一种非周期，渐变，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，因此，对跖Vivaldi天线的设计与研究在微波射频天线的研制领域具有重大的研究意义，但传统的对跖Vivaldi天线，一种微带线-槽线馈电方式的Vivaldi天线，主要由介质板、金属接地板和金属微带馈线三部分组成，金属辐射贴片和金属微带馈线分别印制在介质板两侧，传统对跖Vivaldi天线采用微带线馈电，正面的金属微带馈线主要由矩形微带线和指数渐变槽线构成，背面的金属接地板由渐变结构的巴轮、矩形微带线和指数渐变槽线构成(如图1所示)，其交叉极化特性较差，因此，对跖Vivaldi天线还需要进行改进，以满足超宽带无线通讯系统对超宽带天线的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，辐射方向性好、增益峰值偏移角度小，增益高；进一步地，提供一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，能够实现超带宽、增益高、辐射效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，包括基板，所述基板包括矩形基板和沿天线主轴辐射方向加载的梯形基板，所述梯形基板的下底与矩形基板相连，所述矩形基板的正反面印制有金属导体层，所述金属导体层包括金属辐射贴片，正反面的所述金属辐射贴片结构相同且关于主辐射方向旋转对称，所述金属辐射贴片的外边缘为槽线，所述槽线包括内指数渐变槽线和外指数渐变槽线。

正面的所述金属导体层还包括金属微带馈线，所述金属微带馈线与金属辐射贴片相连，且金属微带馈线的上下边缘线分别与内指数渐变槽线和外指数渐变槽线相连。

所述梯形基板为等腰梯形结构。

所述金属微带馈线天线的馈线长度Lf＝1.7mm，金属微带馈线宽度Wf＝1.0mm，内指数渐变槽线长度Lfi＝31.9mm，内指数渐变槽线高度Hfi＝18.7mm，外指数渐变槽线长度Lfo＝17.8mmmm，外指数渐变槽线高度Hfo＝43.0mm，金属导体层厚度Ts＝0.036mm，矩形基板长度Ls＝40.8mm，矩形基板宽度Ws＝57.45mm，梯形基板的高度Ht＝19.9mm，梯形基板的上底Lt＝10.8mm，梯形基板的下底Hfi＝18.7mm，

所述其内指数渐变槽线和外指数渐变槽线分别通过式(1)和(2)表示：

式中，x_i和y_i分别为内指数渐变槽线的x坐标和y坐标，x_o和y_o分别为外指数渐变槽线的x坐标和y坐标，单位为mm；C1_i、C2_i、F_i、S_i为内指数渐变槽线方程的系数，C1_o、C2_o、F_o、S_o为外指数渐变槽线方程的系数。

所述内指数渐变线方程的系数C1_i＝0.0581、C2_i＝-0.5787、F_i＝0.1611、S_i＝1，外指数渐变线方程的系数C1_o＝0.0809、C2_o＝0.4397、F_o＝0.0176、S_o＝2。

所述基板为厚度为1mm的FR4板材。

本发明所达到的有益效果：

本发明的正反面金属辐射贴片结构完全相同，这样可以有效地修正天线方向图的不对称性；此外，为进一步消除天线方向图峰值偏移，在天线渐变线开口方向延伸介质基板的长度，这样可以将电流更好地约束在天线的主轴方向上，不但进一步消除天线增益峰值的偏移问题，而且能够提高了天线的增益值。

进一步地，基于CST电磁仿真软件对本发明的金属辐射贴片结构、金属微带馈线结构以及梯形基板结构的尺寸参数进行了优化设计，使本发明的测试结果为：带宽为5-38GHz，5-32GHz频率范围内的增益为3.3-9dB，实现了馈电简单、辐射方向性好、增益高、增益峰值偏移角度小、辐射效率高的特点。

因此，本发明所提供的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，辐射方向性好，增益峰值偏移角度小，增益高，在微波射频天线的研制领域具有重大的研究意义，可广泛地应用于无线通信、雷达、定位、监测、控制和医学等领域，发展潜力巨大。

附图说明

图1为传统对跖Vivaldi天线结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的驻波比仿真结果示意图；

图4为本发明的增益仿真结果示意图；

图5为本发明的驻波比实测结果示意图；

图6为本发明的增益实测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，包括基板，所述基板包括矩形基板1和沿天线主轴辐射方向加载的梯形基板2，所述梯形基板2的下底与矩形基板1相连，所述矩形基板1的正反面印制有金属导体层，所述金属导体层包括金属辐射贴片3，正反面的所述金属辐射贴片3结构相同且关于主辐射方向旋转对称，所述金属辐射贴片3的外边缘为槽线，所述槽线包括内指数渐变槽线4和外指数渐变槽线5。

正面的所述金属导体层还包括金属微带馈线6，所述金属微带馈线6与金属辐射贴片3相连，且金属微带馈线6的上下边缘线分别与内指数渐变槽线4和外指数渐变槽线5相连，因此具有馈电简单的特点。

所述梯形基板2为等腰梯形结构。

所述其内指数渐变槽线4和外指数渐变槽线5分别通过式(1)和(2)表示：

式中，x_i和y_i分别为内指数渐变槽线4的x坐标和y坐标，x_o和y_o分别为外指数渐变槽线5的x坐标和y坐标，单位为mm；C1_i、C2_i、F_i、S_i为内指数渐变槽线4方程的系数，C1_o、C2_o、F_o、S_o为外指数渐变槽线5方程的系数。

使用Altium Designer软件绘制该天线的PCB版图，采用厚度为1mm的FR4板材对实物进行加工，加工精度为0.05mm。FR4板是实验室常有的板材，成本较低。

基于CST电磁仿真软件对本发明的辐射贴片结构、微带馈线结构以及梯形基板2结构的尺寸参数进行了优化设计，最终确定了本发明的整体结构。所述金属微带馈线6天线的馈线长度Lf＝1.7mm，金属微带馈线6宽度Wf＝1.0mm，内指数渐变槽线4长度Lfi＝31.9mm，内指数渐变槽线4高度Hfi＝18.7mm，外指数渐变槽线5长度Lfo＝17.8mmmm，外指数渐变槽线5高度Hfo＝43.0mm，金属导体层厚度Ts＝0.036mm，矩形基板1长度Ls＝40.8mm，矩形基板1宽度Ws＝57.45mm，梯形基板2的高度Ht＝19.9mm，梯形基板2的上底Lt＝10.8mm，梯形基板2的下底Hfi＝18.7mm，

所述内指数渐变线方程的系数C1_i＝0.0581、C2_i＝-0.5787、F_i＝0.1611、S_i＝1，外指数渐变线方程的系数C1_o＝0.0809、C2_o＝0.4397、F_o＝0.0176、S_o＝2。

图3为驻波比仿真结果示意图，驻波比仿真结果表明，在4-40GHz频率范围内驻波比小于2。

图4为增益仿真结果示意图，增益仿真结果表明，在4-32GHz频率范围内的增益为2.95-9.18dB。因为FR4板的高频损耗较大，所以本发明在高频部分的增益呈现下滑趋势。

图5为驻波比实测结果增益实测结果示意图。使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪对本发明的驻波比进行测量，4-40GHz的驻波比测试结果如图6所示。由实测结果可知，本发明在在4-40GHz频率范围内驻波比小于3，在5-38GHz频率范围内驻波比小于2。

图6为增益实测结果示意图，使用微波暗室对本发明的驻波比进行测量。在频率5-32GHz频率范围内，实测增益值为3.3-9dB，略小于仿真结果，实测结果与仿真结果基本吻合。因为本发明的加工精度低，而且射频接头高频损耗大，所以本发明驻波比和增益的实测性能略低于仿真结果。

本发明的正反面金属辐射贴片3结构完全相同，这样可以有效地修正天线方向图的不对称性。此外，为进一步消除天线方向图峰值偏移，在天线渐变线开口方向延伸介质基板的长度，扩展的介质基板为上底10.8mm、下底18.7mm、高19.9mm的梯形结构，厚度为0.508mm。这样可以将电流更好地约束在天线的主轴方向上，不但进一步消除天线增益峰值的偏移问题，而且能够提高了天线的增益值。

由图3至6可知，本发明的测试结果为：带宽为5-38GHz，5-32GHz频率范围内的增益为3.3-9dB，实现了馈电简单、辐射方向性好、增益高、增益峰值偏移角度小、辐射效率高的特点。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，包括基板，所述基板包括矩形基板和沿天线主轴辐射方向加载的梯形基板，所述梯形基板的下底与矩形基板相连，所述矩形基板的正反面印制有金属导体层，所述金属导体层包括金属辐射贴片，正反面的所述金属辐射贴片结构相同且关于主辐射方向旋转对称，所述金属辐射贴片的外边缘为槽线，所述槽线包括内指数渐变槽线和外指数渐变槽线。

2.如权利要求1所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，正面的所述金属导体层还包括金属微带馈线，所述金属微带馈线与金属辐射贴片相连，且金属微带馈线的上下边缘线分别与内指数渐变槽线和外指数渐变槽线相连。

3.如权利要求1所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述梯形基板为等腰梯形结构。

4.如权利要求2所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述金属微带馈线天线的馈线长度Lf＝1.7mm，金属微带馈线宽度Wf＝1.0mm，内指数渐变槽线长度Lfi＝31.9mm，内指数渐变槽线高度Hfi＝18.7mm，外指数渐变槽线长度Lfo＝17.8mmmm，外指数渐变槽线高度Hfo＝43.0mm，金属导体层厚度Ts＝0.036mm，矩形基板长度Ls＝40.8mm，矩形基板宽度Ws＝57.45mm，梯形基板的高度Ht＝19.9mm，梯形基板的上底Lt＝10.8mm，梯形基板的下底Hfi＝18.7mm。

5.如权利要求4所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述内指数渐变槽线和外指数渐变槽线分别通过式(1)和(2)表示：

$y_i=C{1}_i*e^{(F_i*{x_i}^{S_i})}+C{2}_i---\left(1\right)$

$y_o=C{1}_o*e^{(F_o*{x_o}^{S_o})}+C{2}_o---\left(2\right)$

式中，x_i和y_i分别为内指数渐变槽线的x坐标和y坐标，x_o和y_o分别为外指数渐变槽线的x坐标和y坐标，单位为mm；C1_i、C2_i、F_i、S_i为内指数渐变槽线方程的系数，C1_o、C2_o、F_o、S_o为外指数渐变槽线方程的系数。

6.如权利要求5所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述内指数渐变线方程的系数C1_i＝0.0581、C2_i＝-0.5787、F_i＝0.1611、S_i＝1，外指数渐变线方程的系数C1_o＝0.0809、C2_o＝0.4397、F_o＝0.0176、S_o＝2。

7.如权利要求1所述的一种加载梯型基板的对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述基板为厚度为1mm的FR4板材。