CN107181055A - 具有陷波特性的Vivaldi天线 - Google Patents

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徐海艳
裴天齐
陈全刚
王建朋
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Abstract

本发明公开一种具有陷波特性Vivaldi天线，包括矩形介质基板(5)和贴覆于介质基板(5)下表面的金属接地板(4)，在所述金属接地板(4)上开有槽线结构(3)，所述槽线结构(3)位于介质基板(5)的长轴上，并关于介质基板(5)的长轴对称；还包括位于介质基板(5)上表面的输入端口馈线(1)和阶梯阻抗谐振器(2)，所述阶梯阻抗谐振器(2)关于金属接地板(4)上的槽线结构(3)成轴对称，阶梯阻抗谐振器(2)两端与金属接地板(4)电连接；所述输入端口馈线(1)和阶梯阻抗谐振器(2)均与介质基板(5)的短轴平行。本发明的具有陷波特性的Vivaldi天线,结构简单、辐射增益高、方向性良好。

Description

具有陷波特性的Vivaldi天线
技术领域
本发明属于滤波天线技术领域，特别是一种结构简单、辐射增益高，方向性良好的具有陷波特性的Vivaldi天线。
背景技术
近年来，随着无线通信市场的竞争，通信朝着高速度、宽频带方向发展，频谱资源极为有限，要求移动通信设备最好能够工作在多频段多标准下。
滤波天线包括天线和滤波器器件，通常是先按标准阻抗单元进行了独立的设计和优化后直接连接在一起的。然而，由于器件间的相互影响，经常出现级联后阻抗失配，总体性能恶化的现象。作为改进，在天线与滤波器之间增加了额外的匹配电路。然而，这会使电路变得复杂，尺寸和损耗也会增大。
为简化电路，缩小尺寸和损耗，业界从天线和滤波器的整体性能出发，将天线与滤波器进行一体化设计，构成结构紧凑的滤波天线，如微带线—槽线耦合馈电的Vivaldi天线。
2015年，Deqiang Yang、Sihao Liu等人在IEEE.International Symposium onMicrowave,Antenna,Propagation,and EMC Technologies(28-30Oct.2015)上发表“ACompact Vivaldi Antenna with Triple Band-notched Characteristics”，该篇文章提出在传统微带-槽线耦合馈电Vivaldi天线的基础上，在馈电的微带线附近引入三个SIR谐振结构，使得天线在Wlan频段内实现三个陷波点。这种设计方法能够产生三个陷波通带，但是结构加工复杂，误差较大。
2014年，Priyanka Natani,Latheef Ahmed Shaik等人在IEEE.InternationalConference on Emerging Technology Trends in Electronics,Communication andNetworking(26-27Dec.2014)上发表“Hexagonal SRR Coupled UWB Vivaldi Antenna forFrequency Notched Applications”，提出在微带线的馈线部分引入两个六边形开环谐振器实现的一个陷波的Vivaldi天线，加工误差大。
2012年，Aravinda Reddy K，Natarajamani S和S.K.Behera在IEEE.International Conference on Computing,Electronics and ElectricalTechnologies(21-22March2012)上发表了“Antipodal Vivaldi Antenna UWB Antennawith 5.5GHz Band-Notch Characteristics”，提出在辐射单元上蚀刻出两个对称的Ω型槽线，利用该槽线的长度来控制产生陷波的频率，该设计产生一个陷波，但是矩形系数较差，频率选择性不好。且增益很低。
综上所述，现有技术存在的问题是：具有陷波特性的Vivaldi天线结构比较复杂，不便于加工集成，且非陷波频率通带的增益不高，陷波处的频率选择性不好，不适用于现代无线通信系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有陷波特性的Vivaldi天线,结构简单、辐射增益高、方向性良好。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有陷波特性Vivaldi天线，包括矩形介质基板和贴覆于介质基板下表面的金属接地板，在所述金属接地板上开有槽线结构，所述槽线结构位于介质基板的长轴上，并关于介质基板的长轴对称；还包括位于介质基板上表面的输入端口馈线和阶梯阻抗谐振器，所述阶梯阻抗谐振器关于金属接地板上的槽线结构成轴对称，阶梯阻抗谐振器两端与金属接地板电连接；所述输入端口馈线和阶梯阻抗谐振器均与介质基板的短轴平行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、结构简单：本发明结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低；
2、辐射增益高、方向性良好：本发明利用槽线谐振器实现超宽带陷波特性，陷波处频率选择性良好，非陷波频率处天线辐射增益高，具有良好的天线方向性；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明具有陷波特性的Vivaldi天线的立体结构示意图。
图2是图1的细部结构示意图。
图3是实施例的结构尺寸示意图。
图4是实施例的S11参数仿真图。
图5是实施例的Realized Gain参数仿真图。
图6-8是实施例分别在4GHz、7GHz、10GHz的天线辐射方向图。
图中，
输入端口馈线1，终端短路的阶梯阻抗谐振器2；介质基板下表面地板上开出一个槽线结构3，金属接地板4，矩形介质基板5；
50欧姆线导带11，四分之一波长阻抗匹配线12，矩形微带短截线13；
第一高阻抗谐振器22，第二低阻抗谐振器21，第三低阻抗谐振器23；
圆形谐振腔31，矩形槽线32，指数型渐变槽线33。
具体实施方式
如图1所示，本发明具有陷波特性Vivaldi天线，包括矩形介质基板5和贴覆于介质基板5下表面的金属接地板4，在所述金属接地板4上开有槽线结构3，所述槽线结构3位于介质基板5的长轴上，并关于介质基板5的长轴对称；
还包括位于介质基板5上表面的输入端口馈线1和阶梯阻抗谐振器2，所述阶梯阻抗谐振器2关于金属接地板4上的槽线结构3成轴对称，阶梯阻抗谐振器2两端与金属接地板4电连接；
所述输入端口馈线1和阶梯阻抗谐振器2均与介质基板5的短轴平行。
如图2所示，所述输入端口馈线1与包括成一直线布置的输入端50欧姆微带线导带11、1/4波长阻抗匹配微带线12和矩形微带短截线13，所述1/4波长阻抗匹配微带线12的一端与50欧姆微带线导带11相连，其另一三部曲与矩形微带短截线13相连，所述50欧姆微带线导带11的另一端位于介质基板5一长边上。
如图2所示，所述阶梯阻抗谐振器2包括成一直线布置的第一高阻抗谐振器21、第二低阻抗谐振器22、第三低阻抗谐振器23，所述第二低阻抗谐振器22一端与第一高阻抗谐振器21相连，另一端与第三低阻抗谐振器23相连；
所述第一高阻抗谐振器21的另一端通过第一金属柱24与金属接地板4电连接，第三高阻抗谐振器23的另一端通过第二金属柱25与金属接地板4电连接。
如图2所示，所述槽线结构3包括圆形谐振腔31、矩形槽线32、指数型渐变槽线33，所述矩形槽线32一端与圆形谐振腔31相连，另一端与指数型渐变槽线33相连。
本发明具有陷波特性Vivaldi天线，其信号传递过程为：
信号经由所述的50欧姆微带线导带11传输，然后通过四分之一波长阻抗匹配传输线12与底面槽线结构3进行耦合激励输入；输入信号经过槽线结构3进行传输，耦合至两端短路阶梯阻抗谐振器2产生谐振，产生陷波点，形成陷波特性。
该陷波频率位置受两端短路阶梯阻抗谐振器的长度影响大，整体长度越大，陷波频率位置越小。
优选地，所述介质基板5的相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm。
图3为各部件外形尺寸示例。
所采用的介质基板6相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm，损耗角正切为0.0009。结合图3，该具有陷波特性的Vivaldi天线的各尺寸参数如下：L1＝29.8mm，W1＝3mm，L2＝5.7mm，W2＝1.2mm，L3＝4.7mm，W3＝5mm，L4＝13.6mm，W4＝4.5mm，L6＝10.2mm，W6＝1mm，L5＝11.4mm，W5＝0.2mm，R1＝4.4mm，L7＝6.3mm，L8＝64.2mm，W7＝22.65mm，具有陷波特性的超宽带滤波器的整体面积为70×87.3mm2，对应的导波长尺寸为1.73λg×2.16λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例具有陷波特性的Vivaldi天线是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图4是本实例中具有陷波特性的Vivaldi天线的S参数仿真图，从图中可以看出，该具有陷波特性的Vivaldi天线的通带中心频率为5GHz，相对带宽为156.6％。该实例陷波具有良好的频率选择特性，在非陷波频率处，该天线匹配良好。
图5是本实例具有陷波特性的Vivaldi天线的Realized Gain参数仿真图，从图中可以看出，该陷波位于5.05GHz处，频率选择特性良好，在通带内非陷波频率处，天线的辐射增益良好。
图6、图7、图8是本实例具有陷波特性的Vivaldi天线在4GHz、7GHz、10GHz天线辐射方向图，从图中可以看出，实施例的Vivaldi天线具有较好的方向性，可用作定向的UWB系统。
综上所述，本发明具有陷波特性Vivaldi天线新型设计方法，结合阶梯阻抗谐振器的特性实现了一种超宽带Vivaldi天线，该天线具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高等优点,非常适用于现代无线通信系统。

Claims (5)

1.一种具有陷波特性Vivaldi天线，其特征在于：
包括矩形介质基板(5)和贴覆于介质基板(5)下表面的金属接地板(4)，在所述金属接地板(4)上开有槽线结构(3)，所述槽线结构(3)位于介质基板(5)的长轴上，并关于介质基板(5)的长轴对称；
还包括位于介质基板(5)上表面的输入端口馈线(1)和阶梯阻抗谐振器(2)，所述阶梯阻抗谐振器(2)关于金属接地板(4)上的槽线结构(3)成轴对称，阶梯阻抗谐振器(2)两端与金属接地板(4)电连接；
所述输入端口馈线(1)和阶梯阻抗谐振器(2)均与介质基板(5)的短轴平行。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述输入端口馈线(1)与包括成一直线布置的输入端50欧姆微带线导带(11)、1/4波长阻抗匹配微带线(12)和矩形微带短截线(13)，所述1/4波长阻抗匹配微带线(12)的一端与50欧姆微带线导带(11)相连，其另一三部曲与矩形微带短截线(13)相连，所述50欧姆微带线导带(11)的另一端位于介质基板(5)一长边上。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述阶梯阻抗谐振器(2)包括成一直线布置的第一高阻抗谐振器(21)、第二低阻抗谐振器(22)、第三低阻抗谐振器(23)，所述第二低阻抗谐振器(22)一端与第一高阻抗谐振器(21)相连，另一端与第三低阻抗谐振器(23)相连；
所述第一高阻抗谐振器(21)的另一端通过第一金属柱(24)与金属接地板(4)电连接，第三高阻抗谐振器(23)的另一端通过第二金属柱(25)与金属接地板(4)电连接。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述槽线结构(3)包括圆形谐振腔(31)、矩形槽线(32)、指数型渐变槽线(33)，所述矩形槽线(32)一端与圆形谐振腔(31)相连，另一端与指数型渐变槽线(33)相连。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：
所述介质基板(5)的相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm。
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