CN108649331A - 一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，属于无线通信技术和雷达技术领域。该天线包括金属接地板、指数渐变板、矩形开槽板、以及同轴线；所述指数渐变板垂直放置于金属接地板、矩形开槽板之间，与金属接地板之间形成一个渐变槽。本发明在贴近金属接地板的情况下，在很宽的频带内实现近似端射方向上的辐射；大幅度降低了Vivaldi天线剖面高度的情况下，保留指数渐变Vivaldi天线的宽带特性，在端射方向上实现了良好的宽带辐射特性。本发明天线结构紧凑，加工装配简单，具有足够的机械强度，可以被应用于实际。

Description

一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线

技术领域

本发明属于无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及以同轴线直接馈电，实现垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线。

背景技术

超宽带天线应用于有大工作带宽需求的无线通信系统，具有低功耗、高数据传输速率、高时间分辨率、强抗干扰能力、低成本等优势。自上世纪60年代起，超宽带技术主要应用于政府以及军事的无线电通信和雷达系统领域。为使超宽带技术能够应用于商业市场，并且与其他已经存在的电子系统不相互干扰，从2002年起，几个国家制定了低于900MHz和3.1-10.6GHz的带宽标准，可直接用于超宽带系统而无须得到授权。这使得超宽带的应用更为广泛，包括成像、车载雷达、通信和测试系统等，同时也不可避免地为超宽带天线设计带来了巨大挑战，需要考虑阻抗匹配、群延迟、辐射特性、低成本、小体积等诸多因素来实现超宽带特性。目前能够实现超宽带端射天线的主要结构有两种：一是渐变结构，将天线视为从50Ω输入阻抗变换到377Ω自由空间的匹配网络，渐变结构能使阻抗在很宽的频率范围内保持稳定，保证天线获得很宽的阻抗带宽，主要形式是由介质基板和渐变开槽金属板构成的渐变槽线天线；二是非频变结构，天线以任意比例变换后仍等于原来的结构，比较典型的是螺旋天线和对数周期天线。

Vivaldi天线是P.J.Gibson于1979年提出的一种超宽带端射渐变槽天线，电磁波沿指数槽线传播，不同频率的电磁波在不同宽度的槽开口处开始辐射，属于非频变天线和行波天线的一种，被广泛应用于超宽带系统、相控阵天线、探测雷达等领域。Vivaldi天线主要有两点优势：一是易于制造，成本低廉，通过PCB加工工艺印刷在介质基板上，而且由于平面结构，容易与单片微波集成电路集成在一起；二是拥有良好的辐射特性，比如超宽带、高增益、宽波束、低副瓣以及低交叉极化等，在端射方向上，E面(平行于介质基板)和H面(垂直于介质基板)的波束宽度近似相等，即有着近乎对称的端射波束形状，可以作为透镜天线和反射面天线的馈源。随着天线长度的增加，波束宽度变窄。传统Vivaldi天线一般通过印刷在介质基板两侧的微带槽线装置来馈电，其带宽主要受到该馈电结构的限制，如果设计得当，能够实现高达6:1，甚至是10:1的VSWR小于2的带宽。通过对大量的参数进行研究后发现，Vivaldi天线的渐变槽天线长度大于一个最低频率的波长时能够实现最佳性能，这意味着想要保证Vivaldi天线好的低频辐射特性，其平面尺寸会很大。

Vivaldi天线在超宽带通信系统中的优势非常明显，辐射特性优异而且成本低廉。但是当Vivaldi天线在贴近金属面的地方工作时，其辐射特性会受到很大影响。平行于金属面放置时，如果间距较小，其微带槽线馈电装置会受到金属面的影响而恶化，导致整个天线的辐射性能下降，另外波束指向会偏离端射方向；垂直于金属面放置时，在垂直面上高度会很大，天线的机械强度难以得到保障。因此，结合天线的使用场景，对传统的Vivaldi天线进行改进并应用于超宽带通信系统中具有很大的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于：结合实际的应用场景，对传统Vivaldi天线进行改进，用以实现超宽带低剖面端射。本发明的一种垂直极化的超宽带低剖面折叠Vivaldi天线，可以大幅度降低Vivaldi天线的剖面高度，使得整个天线结构更为紧凑，同时保证天线在很宽的频带内具有良好的朝端射方向的辐射特性。本发明天线的加工与装配简单，具有足够的机械强度，可以被应用于实际。

本发明所提出的一种垂直极化的超宽带低剖面折叠Vivaldi天线，包括金属接地板、指数渐变板、矩形开槽板、以及同轴线；所述指数渐变板垂直放置于金属接地板、矩形开槽板之间；所述同轴线内导体穿过接地板与指数渐变板末端相连进行馈电。

所述指数渐变板上等间距设置有若干条渐变矩形槽，渐变矩形槽的数量在10-14条较为合适，渐变矩形槽宽度相同，并沿指数渐变板末端长度逐渐减小。

所述矩形开槽板上设置的矩形长槽尺寸相同，并与指数渐变板的渐变矩形槽一一对应。

所述接地板靠近指数渐变板末端的窄边一侧还设置有一竖型金属板，用于增强端射方向上的辐射性能。

所述金属接地板、矩形开槽板之间还设置有起支撑作用的4根介质支撑柱，对天线的辐射性能影响很小，同时确保了足够的机械强度。

本发明所述超宽带低剖面Vivaldi天线带来的有益效果有：1.在大幅度降低了Vivaldi天线的剖面高度情况下，保留指数渐变Vivaldi天线的宽带特性，在端射方向上实现了良好的宽带辐射特性；2.简化了传统微带槽线耦合馈电的结构，采用同轴线直接馈电；3.贴近金属接地板的情况下，在很宽的频带内实现近似端射方向上的辐射。

附图说明

图1为本发明实施案例天线整体三维视图；

图2为本发明实施案例天线整体侧视图；

图3为本发明实施案例天线整体俯视图；

图4为本发明实施案例天线仿真的驻波系数；

图5为本发明实施案例天线仿真的六个频点的E面辐射方向图；

图6为本发明实施案例天线仿真的六个频点的H面辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

图1是本发明实施例天线的整体三维视图，金属接地板101起固定和支撑天线的作用；指数渐变板103是天线的辐射主体，垂直放置于金属接地板101上方，与金属接地板101之间形成一个指数渐变槽，电磁波沿指数渐变线传播，并向端射方向上辐射能量，实现垂直极化。指数渐变板既可以采用金属铜印刷在介质板上，也可以是有足够机械强度的金属板。矩形开槽板107的中线与指数渐变板103相连，引导指数渐变板103上的部分能量流向矩形开槽板107上，大幅度降低了馈电端口的驻波系数，增强了天线的辐射性能。指数渐变板103上开有12条渐变矩形槽106，渐变矩形槽106长度沿指数渐变板长度逐渐减小，而矩形开槽板107上设置有与渐变矩形槽一一对应且长度相同的12条矩形长槽。渐变矩形槽106能使低频段的能量更集中在指数渐变槽部分，显著降低低频段的驻波系数，改善低频段的辐射性能。50Ω同轴线102穿过金属接地板101与指数渐变板103的末端直接相连进行馈电。竖直金属板105用以模拟实际应用中可能出现的情形，可以增强端射方向上的辐射，该结构也可以去除。介质支撑柱104位于金属接地板101和矩形开槽板107之间，起支撑作用，既能保证天线整体的机械强度，又对天线的辐射性能影响很小。

图4是本发明中低剖面Vivaldi天线的驻波系数，可以看出在3.13GHz到24GHz之间驻波系数都小于2.2。

图5是本发明中低剖面Vivaldi天线六个频点(4GHz,8GHz,12GH,16GHz,20GHz,24GHz)的E面远场方向图。随频率升高，天线的交叉极化比会变差，但3GHz到16GHz内，端射方向上仍有良好的辐射特性。

图6是本发明中低剖面Vivaldi天线六个频点(4GHz,8GHz,12GH,16GHz,20GHz,24GHz)的H面远场方向图。H面远场方向图关于中轴线对称，与E面一样，随频率升高，天线的交叉极化比会变差，但3GHz到16GHz内，端射方向上仍有良好的辐射特性。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (4)

1.一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，包括金属接地板、指数渐变板、矩形开槽板、以及同轴线；其特征在于：所述指数渐变板垂直放置于金属接地板、矩形开槽板之间；所述同轴线内导体穿过接地板与指数渐变板末端相连进行馈电；

所述指数渐变板上等间距设置有若干条渐变矩形槽，渐变矩形槽宽度相同，并沿指数渐变板末端长度逐渐减小；

所述矩形开槽板上设置的矩形长槽尺寸相同，并与指数渐变板的渐变矩形槽一一对应。

2.如权利要求1所述的一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，其特征在于：所述接地板靠近指数渐变板末端的窄边一侧还设置有一竖型金属板。

3.如权利要求1或2所述的一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，其特征在于：所述金属接地板、矩形开槽板之间还设置有起支撑作用的4根介质支撑柱。

4.如权利要求1或2所述的一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，其特征在于：所述渐变矩形槽的数量为10-14条。