CN107086361B - 一种高增益对拓Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线领域，提供一种高增益对拓Vivaldi天线，该天线包括介质基板、平衡馈电巴伦、上层辐射贴片、下层辐射贴片，天线辐射口径处还设置有引向器，引向器由分别位于介质基板上、下表面且对应重叠设置的两个复合金属贴片构成；复合金属贴片由一个小椭圆金属贴片和一个大椭圆金属贴片相交形成，其中，小椭圆金属贴片靠近天线辐射口径，大椭圆金属贴片远离天线辐射口径。本发明在传统对拓Vivaldi天线的基础上，在天线辐射口径处引入一个引向器，同时将上、下层辐射贴片内边缘的指数曲线用复合指数曲线代替，从而实现拓展天线带宽并提高天线增益和方向性的目的。

Description

一种高增益对拓Vivaldi天线
技术领域
本发明属于天线领域，涉及宽带天线，具体提供一种基于引向器和新颖的复合指数曲线的对拓Vivaldi天线(Antipodal Vivaldi Antenna,AVA)，以达到拓展天线带宽并提高天下增益和方向性的目的。
技术背景
天线是各种无线电设备中必不可少的组成部分，它能有效地辐射或接收无线电波并通过馈线与收发系统联系起来，起着能量转换的作用。天线作为通信系统的前端部件，被喻为通信系统中的“眼睛”，很大程度上制约着整个通信技术的发展。天线的带宽、增益和定向性是非常重要的指标，研究者希望在保证天线工作带宽的前提下，实现尽可能高的增益和好的定向性。参考现有的文献和技术，实现超宽带天线同时具备高增益和良好的定向性并不多见，这使得此类天线的研究成为微波、毫米波电路与系统的一个研究重点。
对拓Vivaldi天线是一种新型的宽带天线，其设计思想来源于传统的Vivaldi天线，通过加工在介质基板的上下面两块反对称的辐射贴片以实现电磁波的定向辐射；对拓Vivaldi天线不仅具备了传统Vivaldi天线的结构简单、增益高的优点，同时能够实现更宽的工作带宽。
在现有的已报道的文献中，对拓Vivaldi天线的改进设计主要有以下几种方式：
第一种，研究者I.T.Nassar基于在传统的Antipodal Vivaldi天线的口径处增加一个椭圆的金属贴片以提高天线的增益，参见文献《I.T.Nassar,T.M.Weller,“A NovelMethod for Improving Antipodal Vivaldi Antenna Performance,”IEEE Transactionon Antennas a nd Propagation,vol.63,pp.3321-3324,2015》；
第二种，研究人员T.Djerafi基于在辐射贴片的外边缘采用切比雪夫曲线渐变的方式，实现了很宽的阻抗匹配，参见文献《T.Djerafi，Anirban Karmakar,Manimala Paland Rowdr a Ghatak,“A super wideband Chebyshev tapered antipodal Vivaldiantenna,”International J ournal of Electronics and Communicationspp.1328-1333,2015》；
第三种，研究者R.Natarajan通过在天线的辐射贴片上开缺陷结构，以增加电长度，使得在保证天线工作带宽的情况下缩小了天线的体积，但其增益较小，参见文献《R.Natarajan,J.V.George,M.Kanagasabai,and A.K.Shrivastav,“A Compact AntipodalVivaldi Ante nna for UWB Applications,”Antennas and Wireless PropagationLetters,IEEE,Volume:14,2015》；
以上三种方法中，第一种方法实现的天线工作频带为2～32GHz，第二种方法实现的天线工作频带为1～35GHz，第三种方法实现的天线工作频带为3.7～18GHz；第一种天线的增益虽然得到大幅改善，但是在高频段的性能仍有很大改善空间；第二种天线虽然展宽了天线的带宽，但是仍然无法工作在Ka波段及以上频段，同时其增益也较小；第三种天线的增益较小(小于7dBi)，同时也无法工作在更高的频段；故这三种天线均存在自身的局限性。基于此，本发明提供一种新型的高增益对拓Vivaldi天线。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术的缺陷，提供一种高增益对拓Vivaldi天线，该天线在传统对拓Vivaldi天线的基础上，在天线辐射口径处引入一个引向器，同时改进上、下层辐射贴片内边缘的指数为复合指数曲线，使得本发明对拓Vivaldi天线具备很宽的工作带宽、很好的定向性、较高的增益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高增益对拓Vivaldi天线，包括介质基板、平衡馈电巴伦、上层辐射贴片、下层辐射贴片，所述下层辐射贴片连接平衡馈电巴伦、均设置于介质基板下表面，所述上层辐射贴片设置于介质基板上表面；其特征在于，所述天线辐射口径处还设置有引向器，所述引向器由分别位于介质基板上、下表面且对应重叠设置的两个复合金属贴片构成；所述复合金属贴片由一个小椭圆金属贴片和一个大椭圆金属贴片相交形成，其中，小椭圆金属贴片靠近天线辐射口径，大椭圆金属贴片远离天线辐射口径。
进一步的，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片形状、尺寸相同，其内边缘的指数曲线为复合指数曲线，具体为：
B0＝-(w0+A0*B1)，
其中，c和s为混合参数、用于改变曲线的外形，pa和pb为指数曲线的曲率，la为辐射贴片的长度，w0为50欧姆微带线宽度，w为上、下层辐射贴片之间最大距离，x和y表示坐标。
更进一步的，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片外边缘的指数曲线采用切比雪夫渐变形式，具体为：
其中，N为切比雪夫曲线系数，w0为50欧姆微带线宽度，Wsub和Lsub分别表示介质板的宽和长，w1为辐射贴片口径处与天线外侧的宽度，l0为馈电巴伦长度。
进一步的，所述平衡馈电巴伦采用四分之一椭圆渐变形式。
进一步的，所述介质基板由矩形介质基板一侧向外以1/2椭圆外延构成，用以设置引向器。
需要说明的是，如图2所示，本发明中，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片分别设置于介质基板上、下表面，其位置沿介质基板中心轴呈轴对称设置；同时，所述复合金属贴片的中心轴(即两个椭圆金属贴片的长轴)与介质基板中心轴重合，大椭圆金属贴片的短轴与矩形介质基板的边缘重合。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种高增益对拓Vivaldi天线，在传统对拓Vivaldi天线的基础上，在天线辐射口径处引入一个引向器，即有效增加上、下层辐射贴片间的耦合，同时改善天线的方向性(改善天线高频段的方向图偏移和主瓣分裂问题)；同时将上、下层辐射贴片内边缘的指数曲线用复合指数曲线代替，使得高频段对应部分曲率变大，低频段对应部分曲率变小，从而在不额外增加天线尺寸的条件下，提高天线工作频带内的增益；综上，本发明的优点在于：
1、具有很宽的工作带宽：1-40GHz频率范围内的峰值增益大于0dBi；
2、具有很好的定向性：3-40GHz频率范围内E面和H面波束偏离都不超过3°，其中16-40GHz频率范围内不超过2°；
3、具有较高的增益：15-40GHz频率范围内峰值增益大于12dBi，其中最大增益超过16dBi；
4、实现在印刷电路板上，加工方便，结构简单可靠，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例天线结构图。
图2是本发明实施例天线尺寸参数示意图。
图3是本发明实施例天线的加工图。
图4是本发明实施例天线的仿真和测试E面方向图。
图5是本发明实施例天线的仿真和测试H面方向图。
图6是本发明实施例天线的仿真和测试S11曲线。
图7是本发明实施例天线的E面和H面波束偏离角度的仿真和测试曲线。
图8是本发明实施例天线的仿真和测试增益曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例中提供一种高增益对拓Vivaldi天线，其结构如图1所示，其加工实物如图3所示，该对拓Vivaldi天线实现在RT/Duroid 5880的介质基片上，该基片相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.787mm。其具体参数如图2所示，具体为：
Wsub Lsub w<sub>0</sub> l<sub>0</sub> w<sub>1</sub> l<sub>1</sub>
96.52mm 100mm 3mm 16mm 6.26mm 50mm
a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> b<sub>1</sub> b<sub>2</sub> d l<sub>2</sub>
30mm 10mm 7.5mm 4mm 24mm 5mm
s c pa pb h
40mm 2 0.065 0.05 0.787mm
对上述高增益对拓Vivaldi天线进行测试，其结果如图4至图8所示，测试结果显示：在4-40GHz频率范围内，天线回波损耗优于-10dB；在1-40GHz频率范围内天线的增益大于0dBi,其中在15-40GHz范围内的大于12dBi；3-40GHz频率范围内E面和H面波束偏离都不超过3°，其中16-40GHz频率范围内不超过2°。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种高增益对拓Vivaldi天线，包括介质基板、平衡馈电巴伦、上层辐射贴片、下层辐射贴片，所述下层辐射贴片连接平衡馈电巴伦、下层辐射贴片与平衡馈电巴伦均设置于介质基板下表面，所述上层辐射贴片设置于介质基板上表面；其特征在于，所述天线辐射口径处还设置有引向器，所述引向器由分别位于介质基板上、下表面且对应重叠设置的两个复合金属贴片构成；所述复合金属贴片由一个小椭圆金属贴片和一个大椭圆金属贴片相交形成，其中，小椭圆金属贴片靠近天线辐射口径，大椭圆金属贴片远离天线辐射口径；所述上层辐射贴片与下层辐射贴片形状、尺寸相同，其内边缘的指数曲线为复合指数曲线，具体为：
B0＝-(w0+A0*B1)，
其中，c和s为混合参数，pa和pb为指数曲线的曲率，la为辐射贴片的长度，w0为50欧姆微带线宽度，w为上、下层辐射贴片之间最大距离，x和y表示坐标。
2.按权利要求1所述高增益对拓Vivaldi天线，其特征在于，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片外边缘的指数曲线采用切比雪夫渐变形式，具体为：
其中，N为切比雪夫曲线系数，w0为50欧姆微带线宽度，Wsub和Lsub分别表示介质板的宽和长，w1为辐射贴片口径处与天线外侧的宽度，l0为馈电巴伦长度。
3.按权利要求1所述高增益对拓Vivaldi天线，其特征在于，所述平衡馈电巴伦采用四分之一椭圆渐变形式。
4.按权利要求1所述高增益对拓Vivaldi天线，其特征在于，所述介质基板由矩形介质基板一侧向外以1/2椭圆外延构成，用以设置引向器。
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