CN109004353A - 一种毫米波Vivaldi天线 - Google Patents

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石顾禹
钱玉文
桂林卿
束锋
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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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Abstract

本发明公开了一种毫米波段的Vivaldi天线单元。所描述的天线单元包括：介质板，介质板下表面印刷金属接地层，金属接地层中间有指数型开槽和介质板正面的微带短截线。该天线采用微带短截线进行馈电。最终设计的天线尺寸为17.8mm×10mm×0.254mm，测试结果表明，该天线在65GHz‑80GHz频段内得到比较满意的辐射性能，工作带宽21%，最大方向增益为11.3dB，副瓣抑制为10.7dB，性能较好。

Description

一种毫米波Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及一种毫米波段的Vivaldi天线单元，特别是一种基于圆形短截线改善的毫米波段Vivaldi天线单元。
背景技术
在通信领域出现了一个新的技术词汇——超宽带无线通信，UWB系统不采用载波，而是通过发送纳秒级脉冲传输数据，因此，其占有的频谱范围很宽。传统的通信系统都是在带宽一定的情况下，通过改善信噪比来提高信道的容量，UWB系统则是通过增加带宽来提高信道的容量。UWB无线通信系统具有如此多的优势和应用，但对传统的电磁场与电路理论也提出了新的挑战。人们己经开始探索新的理论来解决所面临的新问题，如时域瞬态电磁学、超宽带电磁学、计算电磁学、概率理论等。也正在不断寻找适用于UWB应用的射频电路设计方法。其中，作为UWB系统射频端出入口的天线模块的设计已经成为目前研究的热点。
文献1(P.J.Gibson,“The Vivaldi aerial,”in Proc.9th Eur.Microw.Conf.,Brighton,U.K.,pp.101–105,Jun.1979.)提出了Vivaldi天线，说明了Vivaldi天线的宽带特性，并验证了Vivaldi天线具有很好的端射辐射特性，而且从理论上解释了Vivaldi天线具有无限宽的带宽，有着极大地应用前景。
由上可知，Vivaldi天线比较容易在超宽带范围内实现良好的辐射特性，但是随着通信系统5G时代的到来，毫米波在通信领域的应用越来越高，本文通过圆形截止的微带短截线开拓了毫米波段的超宽带天线的新思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用在毫米波段的超宽带Vivaldi天线，实现本发明目的的技术解决方案为：介质板，介质板下表面印刷金属接地层，金属接地层中间有指数型开槽和介质板正面的微带短截线组合应用，该天线采用圆形截断的微带短截线进行馈电。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明提出的Vivaldi天线应用在毫米波频段，在65GHz～80Ghz内电压驻波比(VSWR)小于2，最大增益达到11.3dBi，并且天线的辐射特性稳定。(2)本发明提出的毫米波段的Vivaldi天线单元集成度高，成本低，便于大规模加工生产。
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明具有毫米波段的Vivaldi天线单元三维结构图。
图2为天线单元主视图。
图3为天线单元分层结构图。
图4为本发明毫米波段的Vivaldi天线单元的电压驻波比曲线。
图5为本发明毫米波段的Vivaldi天线单元工作在中心频率时的辐射方向图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种毫米波段的Vivaldi天线单元包括PCB介质板[1]、介质板底面印刷的金属接地层[2]和介质板正面印刷的微带短截线[3],其中金属接地层中心有指数型开槽。微带短截线末端采用圆形截断辐射的结构。介质板采用双面印刷的形式。所述PCB介质板选用Rogers5880板材，整体尺寸为17.8mm×10mm×0.254mm的矩形，其介电常数εγ＝2.2,损耗正切角tan σ＝0.0009，厚度H＝0.254mm。
本发明从Vivaldi天线的辐射机理来看，其与TEM模喇叭天线具有相似的工作机理，即相当于喇叭天线的E平面金属直接覆盖在介质基板上。喇叭天线的导波部分相当于耦合槽线，馈电微带线将能量耦合到匹配腔中，经过耦合槽线传输给开口槽线，再沿着开口槽线方向传输，最后根据不同的工作频率在对应的谐振槽线向外辐射信号。因此，Vivaldi天线属于一种典型的端射行波天线，同时也是一种线极化天线，电场矢量平行于介质平面。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
天线的整体结构尺寸为17.8mm×10mm×0.254mm。
结合图1，本发明的一种毫米波段的Vivaldi天线单元包括PCB介质板、介质板底面印刷的金属接地层和介质板正面印刷的微带短截线构成,其中金属接地层中心有指数型开槽。微带短截线末端采用圆形截断辐射的结构。介质板采用双面印刷的形式。所述PCB介质板选用Rogers5880板材，整体尺寸为17.8mm×10mm×0.254mm的矩形，其介电常数εγ＝2.2,损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度H＝0.254mm。
结合图4，本发明的毫米波段的Vivaldi天线单元，VSWR低于2:1的工作频带为65GHz～80GHz，最大增益可以达到11.3dBi，副瓣抑制为10.7dB。
结合图5，本发明的毫米波段的Vivaldi天线单元工作在77GHz时的E面和H面方向图具有良好辐射特性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种毫米波Vivaldi天线，其特征在于，包括PCB介质板、介质板底面印刷的金属接地层和介质板正面印刷的微带短截线，其中金属接地层中心有指数型开槽。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波Vivaldi天线，其特征在于，微带短截线末端采用圆形截断辐射的结构，介质板采用双面印刷的形式，介质板整体尺寸为17.8mm×10mm×0.254mm的矩形，其介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，厚度为0.254 mm。
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