CN107317106A - 一种可实现宽频带的小型化Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种可实现宽频带的小型化Vivaldi天线，天线的结构分为三层，其中第二层为非导电材料制成的介质基板，第一层包含天线馈电结构中的地、两个天线辐射臂、两个寄生贴片和两个加载的集总电阻，第三层为天线馈电结构中的微带线。两个寄生贴片分置于两个天线辐射臂下方，所述集总电阻用于连接寄生贴片和天线辐射臂。本发明中的寄生贴片不增加天线尺寸，可延长天线表面电流路径、增大等效电长度，并且形状和尺寸可调；加载的电阻可以减小能量的反射，改善天线阻抗特性，因此本发明可以有效地实现天线的小型化，其尺寸可达到最低工作频率对应波长的0.3倍以下。

Description

一种可实现宽频带的小型化Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及电磁场与天线技术领域，具体涉及一种可实现宽频带的小型化Vivaldi天线。

背景技术

Vivaldi天线是一种指数型渐变槽线天线(ETSA)。因其具有宽频带、低剖面、制造成本低等诸多优点被人们所关注，然而其辐射特性受到尺寸的约束，所以，关于Vivaldi天线的小型化研究是当前天线领域研究的热点之一。

Vivaldi天线由馈电结构和辐射臂两部分组成。馈入的电磁波能量经微带-槽线转换结构后，能量到达槽线传输线，由于槽线传输线的宽度比较窄，辐射电磁波的能力较弱，因此馈入的电磁波能量主要被束缚在槽线传输线之间并沿着槽线传输线传播至辐射臂部分。在沿着电磁波传播方向，随着渐变槽线的宽度逐渐增加，因此槽线对电磁波的束缚作用逐渐减弱，电磁波的辐射作用逐渐增强。当渐变槽线的宽度约为工作频率波长的二分之一波长时，电磁波沿着开口槽方向辐射。

目前，已有多种可实现Vivaldi天线小型化的结构。但是，这些结构中没有一种结构能够同时满足，Vivaldi天线工作频率可覆盖2-18GHz的频带范围，且Vivaldi天线的尺寸小于最低工作频率对应波长的0.3倍。在实际工程应用中，有对宽频带小型化Vivaldi天线的切实需求。

发明内容

针对现有可覆盖S(2-4GHz)、C(4-8GHz)、X(8-12GHz)和Ku(12-18GHz)频带范围的Vivaldi天线尺寸较大的缺陷，本发明设计了一种能够实现Vivaldi天线小型化的结构。

本发明内容的基本思路是：通过加载寄生贴片和加载集总电阻实现Vivaldi天线的小型化。其工作原理为：通过加载寄生贴片延长天线表面电流路径、增大等效电长度；通过加载电阻改善天线阻抗特性；通过优化天线结构调节阻抗特性。

具体技术方案如下：

所述天线为矩形薄片状，天线的结构分为三层，其中第二层为非导电材料制成的介质基板2S00；所述介质基板包含数个大小相同的机械孔1-3S04，所述机械孔贯穿介质基板的上下表面；所述介质基板的上下两个表面分别为天线结构中的第一层和第三层。

天线中第一层的结构关于上表面的中心纵轴线(X轴向表示纵向，Y轴向表示横向)呈对称分布。天线中第一层的结构包含天线馈电结构中的地1S00、两个天线辐射臂1S01、两个寄生贴片1S02和两个加载的集总电阻1S03，且1S00、1S01和1S02均为金属箔。

两个寄生贴片1S02分置于两个天线辐射臂1S01下方；寄生贴片1S02与天线辐射臂1S01之间存在缝隙；所述集总电阻1S03放置在寄生贴片1S02与天线辐射臂1S01之间的缝隙处、靠近天线的外缘，用于连接寄生贴片1S02和天线辐射臂1S01。

加载电阻后，位于天线辐射臂1S01上的电流可以通过集总电阻流入到寄生贴片1S02上，从而实现了寄生贴片延长天线表面电流路径、增大等效电长度的作用。同时，加载的电阻还可以消耗从天线辐射臂流入到寄生贴片上的电流，以减小能量的反射，达到改善天线阻抗特性的作用。上述原理对于实现天线的小型化起到主要作用。

天线中第三层结构为天线馈电结构中的微带线3S00，所述微带线的材料为金属箔。

所述微带线3S00由直线3L01～3L05、3L07～3L10和弧线3L06围成。

所述地1S00由直线1L01～1L03、1L10、1L11和弧线1L12围成，其上有数个与介质基板上机械孔1-3S04的大小和位置相同的机械孔。

所述天线辐射臂1S01由直线1L03、1L06、1L08、1L10、弧线1L04、1L07和曲线1L05、1L09围成。

所述寄生贴片1S02由两条曲线1L14、1L16和两条直线1L13、1L15围成。曲线1L16与直线1L13和直线1L15的交点分别为1P05、1P04，曲线1L14与直线1L13和直线1L15的交点分别为1P07、1P06。点1P04、1P05、1P06、1P07的位置决定曲线1L14、1L16和直线1L13、1L15的形状和长度，从而决定寄生贴片的形状和大小。

由于寄生贴片的巧妙放置，还可以对天线结构中的可变参数进行优化，从而进一步调节天线的阻抗特性，这也是传统的加载结构所不具备的。受集总电阻封装结构的影响，虽然，寄生贴片1S02和天线辐射臂1S01在点1P04处的缝隙宽度s1是固定的，但是，可通过调整点1P05与点1P03的相对位置，对寄生贴片1S02和天线辐射臂1S03在点1P05处的缝隙宽度s2进行调节，从而调节天线的阻抗特性。进一步，可通过调整点1P04与1P05的相对位置，调节曲线1L16的形状和长度，从而调节天线辐射臂1S01和寄生贴片1S02间的耦合作用；可通过调整点1P06与1P07的相对位置，调节曲线1L14的形状和长度。进一步，调整点1P04与1P06的相对位置，可调节直线1L15的长度，调整点1P05与1P07的相对位置，可调节直线1L13的长度，从而改变寄生贴片1S02的形状。

本发明的有益效果：

(1)与传统结构中寄生贴片位于天线辐射臂上方相比，本发明中的寄生贴片不需要额外增加天线尺寸；通过寄生贴片延长天线表面电流路径、增大等效电长度；加载的电阻可以减小能量的反射，改善天线阻抗特性，因此本发明可以有效地实现天线的小型化。

(2)由于寄生贴片的形状和尺寸可调，因此可以根据实际需求对天线结构中的可变参数进行优化，进一步调节天线的阻抗特性，这也是传统的加载结构所不具备的优势。

(3)可实现工作频率覆盖2-18GHz频带范围、尺寸为43.5mm×40mm×0.5mm的Vivaldi天线，其尺寸可达到最低工作频率对应波长的0.3倍以下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明天线结构中第一层结构示意图；

图2图1中1S01、1S02、1S03的结构组成示意图；

图3图1中1S00的结构组成示意图；

图4本发明天线结构中的第三层结构示意图；

图5本发明天线结构示意图；

图6本发明实施例中天线尺寸及参数示意结构图；

图7图6中虚线所围结构的参数示意尺寸图；

图8本发明实施例中天线测试装置的仰视示意图；

图9本发明实施例中天线测试装置的正视示意图；

图10本发明实施例中天线测试装置的侧视示意图；

图11本发明实施例中天线仿真和测量的驻波随频率变化曲线；

图12本发明实施例中天线仿真和测量的增益随频率变化曲线；

图13本发明实施例中天线在f＝2GHz时的仿真和测量E(xoy)面方向图；

图14本发明实施例中天线在f＝2GHz时的仿真和测量H(xoz)面方向图；

图15本发明实施例中天线在f＝10GHz时的仿真和测量E(xoy)面方向图；

图16本发明实施例中天线在f＝10GHz时的仿真和测量H(xoz)面方向图；

图17本发明实施例中天线在f＝18GHz时的仿真和测量E(xoy)面方向图；

图18本发明实施例中天线在f＝18GHz时的仿真和测量H(xoz)面方向图；

图19本发明实施例中多个寄生贴片的电阻的天线示意图；

附图中，x、y、z表示坐标轴，由三个坐标轴组成坐标系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种尺寸为43.5mm×40mm×0.5mm(x×y×z，长×宽×厚)，工作频率可覆盖2GHz-18GHz频带范围的小型化Vivaldi天线。下面的结构描述中，“弧线”表示在圆周上截取的一段，“曲线”表示区别于弧线的其它曲线。

如图5所示，该天线结构分为三层，其中第二层为非导电材料制成的介质基板2S00，其厚度为0.5mm，介电常数为2.2。所述介质基板内部有8个大小完全相同的机械孔1-3S04，用于天线的安装。所述介质基板的上下两个表面分别为天线结构中的第一层和第三层。

天线中的第一层结构如图1所示，该层结构关于该表面的中心纵轴线呈对称分布，包含天线馈电结构中的地1S00、天线辐射臂1S01、加载的寄生贴片1S02和加载电阻1S03，且1S00、1S01和1S02均为金属箔。本实施例中每个天线辐射臂下的寄生贴片数量为1。

如图2所示，天线辐射臂1S01由直线1L03、1L06、1L08、1L10、弧线1L04、1L07和指数型曲线1L05、1L09围成；寄生贴片1S02由直线1L13、1L15和曲线1L14、1L16围成，本实施例取直线1L13和1L15为同一长度，曲线1L14和1L16为指数型曲线；集总电阻1S03采用0402封装结构，其阻值zr为39Ω。此外，在本实施例中点1P04与点1P02在同一平面(xoy面)内，且位于点1P02的正下方，由于电阻封装结构的限制，两点间的距离为s₁＝0.5mm。

如图3所示，1S00由直线1L01～1L03、1L10、1L11和弧线1L12围成，其内部有8个大小完全相同、贯穿天线上下表面的机械孔1-3S04。

天线结构中的第三层如图4所示，该层中的结构为天线馈电结构中的微带线3S00，其是由直线3L01～3L10和弧线3L06围成的金属箔。点3P01和点1P01在x、y轴的坐标相同。

本实施例中天线的尺寸与结构如图6所示，图7为图6中虚线框内结构的放大图，并标注了尺寸的各项参数。天线辐射臂的曲线边界1L05、1L09、寄生贴片的曲线边界1L14、1L16都采用了指数型曲线，其表达式可描述为：

y_{1_i}≤y≤y_{2_i}0＝1L05，1L09，1L14，1L16)

其中：r_i表示指数曲线的渐变率；为指数曲线的系数，由曲线的起点坐标、终点坐标和渐变率共同决定；

为指数曲线中的常数，由指数曲线的起点坐标、终点坐标和渐变率共同决定；(x_{1_i},y_{1_i})和(x_{2_i},y_{2_i})分别为第i条曲线的起点和终点坐标。

编号为i的指数型曲线表达式中的参数及坐标如表1所示。

表1曲线起点和终点参数坐标

其中：y|x＝x_{1_i}+s₂表示当x取值为x_{1_i}+s₂时的y值；y|x＝x_{1_i}+s₂+d₂表示当x取值为x_{1_i}+s₂+d₂时的y值。

图6、图7中天线尺寸的各项参数值如表2所示。

表2天线尺寸的各项参数的取值及含义

图8、9、10分别为天线测量装置S05在不同视角的结构示意图。该装置S05用于固定天线和SMA接头，以便方便测量和减小测量误差。所示天线测量装置S05包含底座S06和两个与底座垂直的金属块S07，S06用于安装SMA接头，其中有4个大小完全相同的螺纹孔S09，一个用于馈电的通孔S10，S07用于安装天线，上面含有8个大小完全相同的螺纹孔S08。S07距离S10中心轴的位置由介质基板的厚度、介质基板上下两面附着的金属层的厚度以及SMA接头的型号共同决定，其标准为，当天线安装完成之后，SMA接头伸出的金属芯刚好可以贴到介质基板下表面上的金属层3S00。

图11至图18是通过电磁仿真软件CST、矢量网络分析仪、微波暗室得到的数据结果对比图，对本发明的有益效果进行说明。为了清晰地观察天线的最低工作频率，图11和图12采用了对数形式的横坐标。图13至图18采用极坐标系。

如图11所示，为天线仿真及测量得到的驻波(VSWR)随频率变化曲线。在2GHz到18GHz的频带范围内，除了在3GHz-5GHz之间有个别频点驻波在2以上，其余频点的驻波都在2以下，说明天线匹配良好。

如图12所示，为天线仿真及测量得到的增益(Gain)随频率变化曲线。在2GHz到18GHz的频带范围内，天线的增益介于-2dB与9dB之间。天线增益的最小点出现在f＝2GHz处，在-1dB左右。

如图13和14所示，为天线在f＝2GHz处，仿真及测量得到的方向图。测量同仿真有良好的一致性。

如图15和16所示，为天线在f＝10GHz处，仿真及测量得到的方向图。测量同仿真有良好的一致性。

如图17和18所示，为天线在f＝18GHz处，仿真及测量得到的方向图。测量同仿真有良好的一致性。

图13至18中，方向图背瓣上的差异，可能是由于测量精度或者测量装置引起的。

使用中，位于每个天线辐射臂下的寄生贴片的数目可根据实际需要进行选择，多个寄生贴片的首尾通过电阻相连，以便更好地延长天线表面电流的路径。图19所示为每个天线辐射臂下两个寄生贴片和电阻的天线示意图。

Claims (4)

1.一种可实现宽频带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述天线为矩形薄片状，天线的结构分为三层，其中第二层为非导电材料制成的介质基板(2S00)；所述介质基板包含数个大小相同的机械孔(1-3S04)，所述机械孔贯穿介质基板的上下表面；所述介质基板的上下两个表面分别为天线结构中的第一层和第三层；

天线中第一层的结构关于上表面的中心纵轴线呈对称分布；天线中第一层的结构包含天线馈电结构中的地(1S00)、两个天线辐射臂(1S01)、两个寄生贴片(1S02)和两个加载的集总电阻(1S03)，且(1S00)、(1S01)和(1S02)均为金属箔；

两个寄生贴片(1S02)分置于两个天线辐射臂(1S01)下方；寄生贴片(1S02)与天线辐射臂(1S01)之间存在缝隙；所述集总电阻(1S03)放置在寄生贴片(1S02)与天线辐射臂(1S01)之间的缝隙处、靠近天线的外缘，用于连接寄生贴片(1S02)和天线辐射臂(1S01)；

天线中第三层结构为天线馈电结构中的微带线(3S00)，所述微带线的材料为金属箔。

2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：所述微带线(3S00)由直线(3L01～3L05)、(3L07～3L10)和弧线(3L06)围成；

所述地(1S00)由直线(1L01～1L03、1L10、1L11)和弧线(1L12)围成，其上有数个与介质基板上机械孔(1-3S04)的大小和位置相同的机械孔；

所述天线辐射臂(1S01)由直线(1L03、1L06、1L08、1L10)、弧线(1L04、1L07)和曲线(1L05、1L09)围成；

所述寄生贴片(1S02)由两条曲线(1L14、1L16)和两条直线(1L13、1L15)围成。

3.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：调整点(1P05)与点(1P03)的相对位置，可对寄生贴片(1S02)和天线辐射臂(1S01)在点(1P05)处的缝隙宽度(s₂)进行调节；调整点(1P04)与(1P05)的相对位置，可调节曲线(1L16)的形状和长度；调整点(1P06)与(1P07)的相对位置，可调节曲线(1L14)的形状和长度；调整点(1P04)与(1P06)的相对位置，可调节直线(1L15)的长度；调整点(1P05)与(1P07)的相对位置，可调节直线(1L13)的长度。

4.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：位于每个天线辐射臂下的寄生贴片的数目不少于1个，多个寄生贴片的首尾通过电阻相连。