CN107275772A - 基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线 - Google Patents

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王清松
杨德强
耿东东
肖花
孙凯
杨天明
胡鉴中
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/106—Microstrip slot antennas

Abstract

本发明提供一种基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，包括：介质基板、介质基板上、下表面分别覆盖的金属贴片，下表面的金属贴片为微带馈线，上表面的金属贴片包括地板，地板上方左右对称设置锥形片和弯曲枝节，锥形片由内槽线、外槽线、直角围合形成；地板的中心轴处有一段竖直的槽线，槽线的上方连接锥形片的内槽线，竖直槽线的下方连接圆形槽，内槽线和外槽线为指数型曲线，每个弯曲枝节由竖直枝节和横向枝节相互垂直拼接形成，本发明天线整体空间结构紧凑，采用侧向馈电，减少天线在竖直方向占用的空间大小；通过增加一对弯曲枝节来在低频段增加额外的谐振频点，扩展天线的带宽，易于理解，天线小型化方案可移植性强。

Description

基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及平面印刷超宽带小型化技术领域，特别是一种基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，人们对无线通信设备的便携性要求也越来越高，这就促使无线通信设备要朝着小型化方向发展。
目前为止，行业内主要有四种手段解决上述问题：其一是采用高介电常数的介质板。其二是对称切半技术，其三是采用有源结构，其四是开槽开缝技术。第一种方法是因为天线谐振频率与介质基板的有效介电常数的平方根成反比，故通过增大介质板的介电常数可以降低天线的工作频率，从而能够减小天线的尺寸。但是，在介电常数大的介质板上传输时电磁波的能量衰减较大，从而使天线的增益和辐射效率降低，此外也会出现带宽变窄等不理想的结果。第二种方法是根据天线结构的对称性，沿着对称轴线将天线做切半处理，理论上该方法能将天线尺寸缩小一半左右。但是，该方法易造成阻抗匹配恶化，还会因为切半处理后天线结构的不对称性导致天线的方向图不对称等后果。第三种方法不仅结构复杂而且有源结构的加入也会无形中增加设备的体积。第四种方法通过开槽开缝技术增加天线表面电流的等效电长度，来降低天线第一个谐振点的工作频率，从而促进天线的小型化。但是该方法也存在一些不足，阻抗匹配对谐振腔体的大小和位置要求比较高，并且原天线结构必须有足够的预留空间来实现此功能，从而使其长度不可能进一步的缩短。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通过加载弯曲枝节在天线低频段增加额外的谐振频点进而延伸低频段带宽边沿的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线。
为实现上述发明目的，本发明提供技术方案如下：
一种基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，包括：介质基板、介质基板上、下表面分别覆盖的金属贴片，所述天线由下表面的金属贴片馈电，所述下表面的金属贴片为微带馈线，上表面的金属贴片包括地板，地板上方左右对称设置锥形片和弯曲枝节，所述弯曲枝节设置于锥形片和地板之间，所述两条锥形片位于靠近地板中心轴的内侧，弯曲枝节位于远离地板中心轴的外侧，所述锥形片由靠近地板中心轴的内槽线、远离地板中心轴的外槽线、以及内外槽线之间的直角围合形成；地板的中心轴处有一段竖直槽线，竖直槽线的上方连接锥形片的内槽线，竖直槽线的下方连接圆形槽，所述内槽线和外槽线为指数型曲线，所述每个弯曲枝节由竖直枝节和横向枝节相互垂直拼接形成，底部的横向枝节和地板之间存在缝隙d，所述每个弯曲枝节的各枝节总长度L满足下述公式：
其中，c为光速，f为谐振频率2.5GHz,ε为介质基板的介电常数，εr为介质基板的相对介电常数。
锥形片、弯曲枝节构成天线的辐射单元。微带馈线用于激励该天线，在原始Vivaldi天线按照指数曲线E2挖去一部分地板，形成缺陷地，这样做的目的是将在各频点处几乎没有电流分布的部分挖去，不会减弱天线的辐射性能，还会增加天线外边沿的电长度，扩展天线低频段的带宽边沿，促进天线的小型化。
作为优选方式，内槽线、外槽线分别为指数曲线E1、E2，指数曲线E1、E2分别描述为：
其中x表示从中心轴线到指数边缘的距离，x从0.3变化到8.7，对应于y从6变化到36，c1、rex1、c2分别等于0.14、0.172、0.15；
其中x表示从指数边缘到天线边缘的距离，x从3变化到18，对应于y从8.5变化到25.75，c3、rex2、c4分别等于0.2、0.22、2.2。
作为优选方式，每个弯曲枝节由三段相同长度的横向枝节b、两段相同长度的纵向枝节a、一段纵向枝节c、一段纵向枝节e垂直拼接形成。
作为优选方式，横向枝节b的长度为3.1mm。弯曲枝节上两相邻竖直枝节的间距b尽量大，这样做的目的是防止两相邻竖直枝节上方向相反的电流会因间距太小而相互抵消，使弯曲枝节不能起到作用。
作为优选方式，缝隙d为0.1-0.6mm。
作为优选方式，该天线方案采用侧向馈电。这样做的目的是为了减少天线在竖直方向占用的空间大小。
作为优选方式，弯曲枝节在竖直方向上的高度从地板中心轴向外侧方向呈阶梯式递增。这样做的目的是为了充分利用天线缺陷地部分的空间，不额外增加天线的尺寸，促进天线的小型化。
作为优选方式，在地板左下角和右下角各挖去一个矩形形成矩形缺陷地，这样做的目的是减弱地板两侧的电流强度，增强天线定向辐射的能力。
本发明的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线的工作原理是这样的：天线通过微带馈线馈电，馈入的电磁波能量间接耦合到竖直槽线，由于竖直槽线比较窄，对电磁波的辐射能力比较弱，馈入的电磁波逐渐由竖直槽线传输至内槽线。随着内槽线的宽度逐渐变大，对电磁波的束缚能力逐渐变弱，辐射能力逐渐增强，当内槽线的宽度达到约半个波长时，电磁波谐振，天线沿着渐变槽线方向辐射电磁波。但此时天线低频段的带宽边沿达不到FCC规定的超宽带最低频率(3.1GHz)，于是将在各频点处几乎没有电流分布的缺陷地按照指数曲线E2挖去，不但不会减弱天线的辐射性能，还会增加天线外边沿的电长度，扩展天线低频段的带宽边沿。此时天线低频段的带宽边沿仍然达不到FCC规定的超宽带最低频率(3.1GHz)，于是不增加天线尺寸的情况下，在地板左右两侧增加一对弯曲枝节，以此来在天线的低频段增加一个较低的谐振频点，从而使整个天线的低频段带宽边沿降低，促进天线的小型化。
本发明的创新之处在于：
1.通过将在各个频点处几乎没有电流分布的缺陷地按照指数曲线E2挖去，不但不会减弱天线的辐射性能，还会增加天线外边沿的电长度，扩展天线低频段的带宽边沿。
2.在不增加天线尺寸的情况下，在地板左右两侧增加一对弯曲枝节，以此来在天线的低频段增加一个较低的谐振频点，从而使整个天线的低频段带宽边沿降低，促进天线的小型化。
3.弯曲枝节在竖直方向上的高度从地板中心轴向外侧方向呈阶梯式递增，从而充分利用天线缺陷地的空间，不额外增加天线的尺寸，促进天线的小型化。
4.弯曲枝节上两相邻竖直枝节的间距尽量大，从而防止两相邻竖直枝节上方向相反的电流会因间距太小而相互抵消，使弯曲枝节不能起到作用。
本发明的特点是：天线整体空间结构紧凑，采用侧向馈电，减少天线在竖直方向占用的空间大小；弯曲枝节在竖直方向上的高度从地板中心轴向外侧方向呈阶梯式递增，充分利用天线缺陷地的空间，不额外增加天线的尺寸，促进天线的小型化，设计简单。通过增加一对弯曲枝节来在低频段增加额外的谐振频点，扩展天线的带宽，易于理解，天线小型化方案可移植性强。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的仰视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)端口S参数曲线的对比；
图5是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)的增益曲线的对比；
图6是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)在不同频点的方向图对比；图6(a)为2.5GHz，图6(b)为4GHz，图6(c)为7GHz，图6(d)为10GHz，左为E面，右为H面。
图7是加载弯曲枝节Vivaldi天线的群时延和辐射效率。
其中，1为地板，2为弯曲枝节，3为锥形片，4为内槽线，5为外槽线，6为矩形缺陷地，7为微带馈线，8为圆形槽，9为竖直槽线，10为缺陷地，11为介质基板，12为直角。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，包括：采用FR-4材料的介质基板11、介质基板11上、下表面分别覆盖的金属贴片，介质基板的介电常数是4.4，厚度为1mm，介质基板的大小为30mm×36mm。所述天线由下表面的金属贴片馈电，然后电磁波能量耦合传导至上表面的金属贴片。所述下表面的金属贴片为微带馈线7，上表面的金属贴片包括地板1，地板1上方左右对称设置锥形片3和弯曲枝节2，所述弯曲枝节设置于锥形片3和地板1之间，所述两条锥形片3位于靠近地板1中心轴的内侧，弯曲枝节2位于远离地板中心轴的外侧，所述锥形片3由靠近地板中心轴的内槽线4、远离地板中心轴的外槽线5、以及内外槽线之间的直角12围合形成；地板的中心轴处有一段竖直槽线9，竖直槽线9的上方连接锥形片3的内槽线4，竖直槽线9的下方连接圆形槽8，所述内槽线4和外槽线5为指数型曲线，所述每个弯曲枝节2由竖直枝节和横向枝节相互垂直拼接形成，如图1所示，每个弯曲枝节2由三段相同长度的横向枝节b、两段相同长度的纵向枝节a、一段纵向枝节c、一段纵向枝节e垂直拼接形成。底部的横向枝节和地板1之间存在缝隙d，所述每个弯曲枝节的各枝节总长度L满足下述公式：
其中，c为光速，f为谐振频率2.5GHz,ε为介质基板11的介电常数，εr为介质基板11的相对介电常数。
内槽线4、外槽线5分别为指数曲线E1、E2，指数曲线E1、E2分别描述为：
其中x表示从中心轴线到指数边缘的距离，x从0.3变化到8.7，对应于y从6变化到36，c1、rex1、c2分别等于0.14、0.172、0.15；
其中x表示从指数边缘到天线边缘的距离，x从3变化到18，对应于y从8.5变化到25.75，c3、rex2、c4分别等于0.2、0.22、2.2。
锥形片3、弯曲枝节2构成天线的辐射单元。微带馈线7用于激励该天线，在原始Vivaldi天线按照指数曲线E2挖去一部分地板，形成缺陷地10，这样做的目的是将在各频点处几乎没有电流分布的部分挖去，不会减弱天线的辐射性能，还会增加天线外边沿的电长度，扩展天线低频段的带宽边沿，促进天线的小型化。
横向枝节b的长度经优化为为3.1mm。弯曲枝节2上两相邻竖直枝节的间距b的值不能太小，因为相邻的两段竖直枝节a上的电流是反向的，如果间距太小，会使竖直枝节a上的电流相互抵消，起不到通过增加弯曲枝节2来在低频段处增加谐振频点，进而延伸天线低频段带宽边沿的作用。
优选的，缝隙d为0.1-0.6mm。
该天线方案采用侧向馈电。这样做的目的是为了减少天线在竖直方向占用的空间大小。
弯曲枝节2在竖直方向上的高度从地板中心轴向外侧方向呈阶梯式递增。这样做的目的是为了充分利用天线缺陷地部分10的空间，不额外增加天线的尺寸，促进天线的小型化。
在地板1左下角和右下角各挖去一个矩形形成矩形缺陷地6，这样做的目的是减弱地板两侧的电流强度，增强天线定向辐射的能力。
本发明的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线的工作原理是这样的：天线通过微带馈线7馈电，馈入的电磁波能量间接耦合到竖直槽线9，由于竖直槽线9比较窄，对电磁波的辐射能力比较弱，馈入的电磁波逐渐由竖直槽线9传输至内槽线4。随着内槽线4的宽度逐渐变大，对电磁波的束缚能力逐渐变弱，辐射能力逐渐增强，当内槽线4的宽度达到约半个波长时，电磁波谐振，天线沿着渐变槽线方向辐射电磁波。但此时天线低频段的带宽边沿达不到FCC规定的超宽带最低频率(3.1GHz)，于是将在各频点处几乎没有电流分布的部分缺陷地10按照指数曲线E2挖去，不但不会减弱天线的辐射性能，还会增加天线外边沿的电长度，扩展天线低频段的带宽边沿。此时天线低频段的带宽边沿仍然达不到FCC规定的超宽带最低频率(3.1GHz)，于是不增加天线尺寸的情况下，在地板左右两侧增加一对弯曲枝节2，以此来在天线的低频段增加一个较低的谐振频点，从而使整个天线的低频段带宽边沿降低，促进天线的小型化。
图4为本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)端口S参数曲线的对比。可以看出，本发明天线的带宽明显要比原天线的宽，尤其是在低频段，这是因为首先将原天线中各频点处均几乎没有电流分布的部分挖去，不但没有减弱天线的辐射性能，还增加了天线外边沿的电长度增加了，从而延伸了天线低频段的带宽边沿。然后在地板的左右两边分别加载一定长度的弯曲枝节，从而在天线的低频段增加了额外的谐振频点，进一步扩展了天线低频段的工作带宽。
图5是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)的增益曲线的对比。可以看出，本发明天线在低频段的增益要明显好于原天线，这说明该天线在低频段的辐射性能也能很好，能够实现天线的小型化。
图6是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线(天线C3)与传统天线(天线A)在不同频点的方向图对比；图6(a)为2.5GHz，图6(b)为4GHz，图6(c)为7GHz，图6(d)为10GHz，左为E面，右为H面。该天线在四个主要频点处仿真和测试的方向图基本吻合，而且该天线在E面和H面均能实现良好的定向辐射性能，该天线辐射方向图的主瓣波束能够稳定地指向Y轴方向，在整个有效的工作频带内，天线辐射方向图的主瓣波束方向并没有发生明显的变化，这说明该天线的辐射方向非常稳定。
图7是本发明的加载弯曲枝节的Vivaldi天线的群时延和辐射效率，该天线群时延的仿真和测试结果能够很好地吻合。在有效的工作频带内，该天线测量的群时延大约为1.6ns,群时延变化小于±0.5ns,这说明在有效的工作频带内该天线具有比较平坦的群时延响应，从而经由该天线传输的时域信号不会严重地失真，所以该天线能用在时域通信系统中。在有效的工作频带内该天线的辐射效率大于80％。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于，包括：介质基板(11)、介质基板(11)上、下表面分别覆盖的金属贴片，所述天线由下表面的金属贴片馈电，所述下表面的金属贴片为微带馈线(7)，上表面的金属贴片包括地板(1)，地板(1)上方左右对称设置锥形片(3)和弯曲枝节(2)，所述弯曲枝节设置于锥形片(3)和地板(1)之间，所述两条锥形片(3)位于靠近地板(1)中心轴的内侧，弯曲枝节(2)位于远离地板中心轴的外侧，所述锥形片(3)由靠近地板中心轴的内槽线(4)、远离地板中心轴的外槽线(5)、以及内外槽线之间的直角(12)围合形成；地板的中心轴处有一段竖直槽线(9)，竖直槽线(9)的上方连接锥形片(3)的内槽线(4)，竖直槽线(9)的下方连接圆形槽(8)，所述内槽线(4)和外槽线(5)为指数型曲线，所述每个弯曲枝节(2)由竖直枝节和横向枝节相互垂直拼接形成，底部的横向枝节和地板(1)之间存在缝隙d，所述每个弯曲枝节的各枝节总长度L满足下述公式：
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>f</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msqrt> <mi>&amp;epsiv;</mi> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>
<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，c为光速，f为谐振频率2.5GHz,ε为介质基板(11)的介电常数，εr为介质基板(11)的相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：内槽线(4)、外槽线(5)分别为指数曲线E1、E2，指数曲线E1、E2分别描述为：
其中x表示从中心轴线到指数边缘的距离，x从0.3变化到8.7，对应于y从6变化到36，c1、rex1、c2分别等于0.14、0.172、0.15；
其中x表示从指数边缘到天线边缘的距离，x从3变化到18，对应于y从8.5变化到25.75，c3、rex2、c4分别等于0.2、0.22、2.2。
3.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：每个弯曲枝节(2)由三段相同长度的横向枝节b、两段相同长度的纵向枝节a、一段纵向枝节c、一段纵向枝节e垂直拼接形成。
4.根据权利要求3所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：横向枝节b的长度为3.1mm。
5.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：缝隙d为0.1-0.6mm。
6.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：该天线方案采用侧向馈电。
7.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：弯曲枝节(2)在竖直方向上的高度从地板中心轴向外侧方向呈阶梯式递增。
8.根据权利要求1所述的基于弯曲枝节加载技术的小型化Vivaldi天线，其特征在于：在地板(1)左下角和右下角各挖去一个矩形形成矩形缺陷地(6)。
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Application publication date: 20171020

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