CN109216893A - 一种小型化超宽带Vivaldi天线 - Google Patents

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张更
王威
霍小宁
肖继红
金文�
唐林卡
彭杰
谭志红
何龙威
曹苗苗
李皓
王森
王煊
张馨倩
杨绰
周宇芳
陈莽
赵玉冬
陈海英
蔡洪伟
王锦程
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Abstract

本发明公开了一种小型化超宽带Vivaldi天线，包括馈电结构、谐振腔结构、指数渐变开槽结构和片式加载结构，馈电结构位于天线背面，距离位于天线正面的谐振腔结构竖直偏上位置；馈电结构通过扇形结构与微带线结构的连接，采用T型阻抗变换、侧向馈电形式，实现阻抗变化；在天线正面设置有指数渐变开槽结构，该结构整体为指数渐变线结构，在渐变线上进行开槽处理，开槽数量与天线凹点的数量一致，以消除天线上凹点影响，在指数渐变线上部，加入片式加载结构。

Description

一种小型化超宽带Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及一种小型化超宽带Vivaldi天线，属于天线设计领域。
背景技术
随着技术的发展，信息容量的提高，无线通信对天线的工作带宽、结构尺寸以及极化特性等提出了更高的要求。小型化超宽带天线，不管是在民用的抗震救灾、卫星导航，还是在军用雷达应用等方面，越来越受到人们的关注。
作为超宽带天线中的一种，Vivaldi天线是一种非频变的行波天线，能够在较宽频带内，保持良好的阻抗匹配特性，最早由Gibson提出。传统Vivaldi天线为满足比例变换原理，即在一定范围内，将天线结构尺寸随波长进行同比例变化时，天线性能保持不变的特性，导致天线尺寸较大。而实际工程应用中，特别是应用在X频段范围内，应用平台无法保证天线的安装尺寸，需要对天线进行小型化设计。
Vivaldi天线在X频段小型化设计过程中，容易产生输入阻抗与特性阻抗无法完全匹配，导致回波损耗较大，降低了天线的辐射效率，从而整个无线系统的通信距离与传输码率受到一定影响。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种小型化超宽带Vivaldi天线，以解决覆盖X波段Vivaldi天线尺寸较大、阻抗匹配不好的问题。
本发明的技术解决方案：
一种小型化超宽带Vivaldi天线，包括馈电结构、谐振腔结构、指数渐变开槽结构和片式加载结构，
馈电结构位于天线背面，距离位于天线正面的谐振腔结构竖直偏上位置；
馈电结构通过扇形结构与微带线结构的连接，采用T型阻抗变换、侧向馈电形式，实现阻抗变化；
在天线正面设置有指数渐变开槽结构，该结构整体为指数渐变线结构，在渐变线上进行开槽处理，开槽数量与天线凹点的数量一致，以消除天线上凹点影响；在指数渐变线上部，加入片式加载结构；
呈圆形的谐振腔结构位于开槽结构下部，确保天线定向辐射。
馈电结构位于距离谐振腔偏上4-5mm。
一端为扇形结构，通过与正面的谐振腔匹配，将接收到的射频信号耦合到天线内部；馈电结构另一端为微带线结构，与后端射频电缆相连，将天线内部信号传输到外部收发信机中。
开槽长度为凹点所在频率波长的0.2-0.3倍。
在竖直方向距离指数渐变线1.5-2mm位置设置片式加载结构。
所开槽的槽宽为1-1.2mm。
所开槽的槽间距为3-3.5mm。
谐振腔结构半径为0.2-0.3倍中心波长。
片式加载结构水平方向上位于渐变线开口边缘处。
在指数渐变线上部，加入200Ω±20Ω片式加载结构。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明将空间波阻抗转换为馈电阻抗，采用T型阻抗变换、侧向馈电形式，通过扇形---矩形微带线的结构，将输入阻抗由50Ω±5Ω变换到180Ω±10Ω，提高了天线的阻抗匹配特性，展宽了带宽；
(2)Vivaldi天线为行波天线，非频变结构，由于天线本身小型化设计，导致天线尺寸较小，存在部分不匹配点，通过对天线辐射口进行开槽处理，消除其中的不匹配点；
(3)Vivaldi天线本身在端口会辐射部分杂散波，杂散波会引入一部分的回波损耗，为对这部分的回波进行吸收，在Vivaldi天线的端口部分进行片式电阻加载。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
一种小型化超宽带Vivaldi天线，如图1所示，包括馈电结构1、谐振腔结构2、指数渐变开槽结构3和片式加载结构4，
馈电结构1位于天线背面，距离位于天线正面的谐振腔结构2竖直偏上4-5mm位置；
馈电结构1通过扇形结构与微带线结构的连接，采用T型阻抗变换、侧向馈电形式，实现阻抗变化；
具体对馈电结构1进行设计为：一端扇形结构，通过与正面的谐振腔2匹配，将接收到的射频信号耦合到天线内部；馈电结构1另一端为微带线结构，与后端射频电缆相连，将天线内部信号传输到外部收发信机中。
具体的，可以设计成通过扇形连接118Ω±10Ω微带线，变换到50Ω±5Ω微带线，实现与射频电缆50Ω同轴匹配。同轴连接器内芯与馈电微带线相连，外芯连接天线正面，为避免内外芯短路，50Ω±5Ω微带线距离边缘留有一定余量。
在天线正面设置有指数渐变开槽结构3，该结构整体为指数渐变线结构，在渐变线上进行开槽处理，开槽数量与天线凹点的数量一致，开槽长度为凹点所在频率波长的0.2-0.3倍，以消除天线上凹点影响；所开槽的槽宽为1-1.2mm，槽间距为3-3.5mm；开槽主要针对天线本身带宽较宽，部分工作频点会出现驻波比起伏的情况，通过渐变式开槽处理，有针对性的展宽天线的工作带宽。
在竖直方向距离指数渐变线1.5-2mm位置加入200Ω±20Ω片式加载结构4，吸收天线反射的部分杂散波，一定程度上调整天线方向图辐射特性，降低天线的电压驻波比，片式加载结构4水平方向上位于渐变线开口边缘处。
呈圆形的谐振腔结构2位于开槽结构下部，谐振腔结构为此种超宽带天线的必需结构，采用圆形，对天线的阻抗匹配特性具有重要意义。谐振腔结构2半径为0.2-0.3倍中心波长，通过介质替代普通喇叭天线的金属结构，使谐振腔结构2由三维立体变为二维平面结构，确保天线定向辐射；同时兼顾馈电结构，确保信号能够在天线内部耦合。
本发明通过开槽、电阻加载、谐振腔优化以及馈电结构的引入，进一步减小了天线的开口尺寸，由之前20mm开口尺寸，变为15-17mm，可以用于特定的小型化载体平台中。
本发明工作原理：为适应载体平台对天线宽度的限制，传统意义上X波段Vivaldi天线宽度一般为20mm，无法满足空间安装的要求，需要减小天线的水平尺寸。水平尺寸的减小，会造成渐变开口线的剧烈变化，在整个X波段上，会产生部分凹点。凹点的多少，与工作带宽相关，为消除凹点，引入开槽结构，开槽数量与凹点数量一致；槽线长度为凹点所在波长的0.2-0.3倍；
同时，为保证天线定向辐射，引入谐振腔结构，将来波在谐振腔中多次反射，引入反射波相位的变化，实现天线的定向辐射。同时为调整方向图辐射特性，避免杂波对无线系统中其他收发设备的影响，引入片式加载结构，吸收非工作区的杂散波。
天线后端通过射频电缆，与收发信机相连，需将谐振腔结构引入到200Ω±20Ω的特性阻抗，通过扇形到矩形微带线的结构，渐变到180Ω±10Ω，最终通过T型阻抗变换，与输入阻抗的50Ω±5Ω相匹配，极大的展宽了天线的带宽。
本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，包括馈电结构(1)、谐振腔结构(2)、指数渐变开槽结构(3)和片式加载结构(4)，
馈电结构(1)位于天线背面，距离位于天线正面的谐振腔结构(2)竖直偏上位置；
馈电结构(1)通过扇形结构与微带线结构的连接，采用T型阻抗变换、侧向馈电形式，实现阻抗变化；
在天线正面设置有指数渐变开槽结构(3)，该结构整体为指数渐变线结构，在渐变线上进行开槽处理，开槽数量与天线凹点的数量一致，以消除天线上凹点影响；在指数渐变线上部，加入片式加载结构(4)；
呈圆形的谐振腔结构(2)位于开槽结构下部，确保天线定向辐射。
2.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，馈电结构(1)位于距离谐振腔(2)偏上4-5mm。
3.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，一端为扇形结构，通过与正面的谐振腔(2)匹配，将接收到的射频信号耦合到天线内部；馈电结构(1)另一端为微带线结构，与后端射频电缆相连，将天线内部信号传输到外部收发信机中。
4.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，开槽长度为凹点所在频率波长的0.2-0.3倍。
5.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，在竖直方向距离指数渐变线1.5-2mm位置设置片式加载结构(4)。
6.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所开槽的槽宽为1-1.2mm。
7.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所开槽的槽间距为3-3.5mm。
8.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，谐振腔结构(2)半径为0.2-0.3倍中心波长。
9.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，片式加载结构(4)水平方向上位于渐变线开口边缘处。
10.如权利要求1所述的一种小型化超宽带Vivaldi天线，其特征在于，在指数渐变线上部，加入200Ω±20Ω片式加载结构(4)。
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