CN109301451A - 一种宽带高增益Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益Vivaldi天线，包括：介质基板、金属贴片、四边形金属贴片、阻抗匹配微带线和扇形金属枝节，金属贴片和四边形金属贴片均固定在介质基板的顶面，阻抗匹配微带线和扇形金属枝节均固定在介质基板的底面，金属贴片上开有关于其水平中心轴线对称的喇叭状开口的渐变槽线，渐变槽线呈指数型渐变，渐变槽线底端设置圆形谐振腔，渐变槽线两条外侧壁分别设有等间隔的梳齿状栅格，四边形金属贴片位于渐变槽线的开口处，阻抗匹配微带线为L形，阻抗匹配微带线一端连扇形金属枝节，两者共同作为馈电结构。采用上述技术方案的Vivaldi天线的频段为2.3~8.0GHz，具有结构简单、工作频带宽、增益高的特点。

Description

一种宽带高增益Vivaldi天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带高增益Vivaldi天线。
背景技术
Vivaldi天线，即指数锥削槽天线，是P.J.Gibson于1979年提出的一种非周期、端射式、线极化、渐变行波天线，有较好的高斯脉冲响应，工作频带较宽、增益高、辐射性能较好，并且体积小、易于制作、且适合与固体器件集成一体，无论是作为单个天线使用还是作为相控阵天线的辐射单元，都非常适合。因而Vivaldi天线广泛的应用于宽带或超宽带相控阵雷达，用于完成多目标、多功能的任务，同时相控阵雷达也可以作为ESM、ECM电子对抗和通信等用途，使其成为共享孔径的阵列天线系统。
Vivaldi天线普遍具有由相对比较窄的槽线过渡到比较宽的槽线，槽线的变换有线性变化和指数规律变化等，将槽线逐渐加大宽度，形成喇叭口状接收或向外辐射电磁波，对于不同的频率而言，其不同的部分接收或发射电磁波，各个辐射部分对于不同的频率而言电长度是一样的，因而理论来讲，这种天线可以做到很宽的带宽，但现有技术实现的Vivaldi天线难以实现高增益，尤其在较低频段表现不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带高增益Vivaldi天线，克服了现有技术在较低频段表现不佳的问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种宽带高增益Vivaldi天线，包括介质基板、金属贴片、四边形金属贴片、阻抗匹配微带线和扇形金属枝节，金属贴片和四边形金属贴片均固定在介质基板的顶面，阻抗匹配微带线和扇形金属枝节均固定在介质基板的底面，金属贴片上开有关于其水平中心轴线对称的喇叭状开口的渐变槽线，渐变槽线呈指数型渐变，渐变槽线底端设置圆形谐振腔，渐变槽线两条外侧壁分别设有等间隔的梳齿状栅格，四边形金属贴片位于渐变槽线的开口处，阻抗匹配微带线为L形，阻抗匹配微带线一端连扇形金属枝节，两者共同作为馈电结构。
本发明的有益效果为：(1)带宽为2.3GHz～8GHz，最大增益达13dB，尤其在频率较低的波段表现十分优异，并且天线的辐射特性稳定。
(2)采用四边形金属贴片在渐变槽线开口末端引导电场，提高了天线辐射增益，修正了高频段电场走向偏离的问题，增强了高频处辐射稳定性。
(3)结构简单，成本低，便于大规模加工生产，适用于通信和电子对抗系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的馈电单元的结构示意图。
图3为本发明驻波比仿真结果示意图。
图4为本发明增益仿真结果示意图。
图5为本发明在2.3GHz的H面、E面辐射实现增益示意图。
图6为本发明在4GHz的H面、E面辐射实现增益示意图。
图7为本发明在6GHz的H面、E面辐射实现增益示意图。
图8为本发明在8GHz的H面、E面辐射实现增益示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1、图2所示，本发明提供的一种宽带高增益Vivaldi天线包括介质基板1、金属贴片2、四边形金属贴片3、阻抗匹配微带线4和扇形金属枝节5，金属贴片2和四边形金属贴片3均固定在介质基板1的顶面，阻抗匹配微带线4和扇形金属枝节5均固定在介质基板1的底面，金属贴片2上开有关于其水平中心轴线对称的喇叭状开口的渐变槽线6，渐变槽线6呈指数型渐变，其开口宽度应不低于最低工作频率对应波长的一半。渐变槽线6底端设置圆形谐振腔7，其直径为槽线波导波长的四分之一。渐变槽线6两条外侧壁分别设有等间隔的梳齿状栅格8以提高低频的阻抗匹配和增益。四边形金属贴片3位于渐变槽线6的开口处，用于提高高频增益。阻抗匹配微带线4为L形，按切比雪夫拟合，阻抗匹配微带线4一端连扇形金属枝节5，其半径为中心频率对应波长的四分之一，阻抗匹配微带线4与扇形金属枝节5共同作为馈电结构。
本实施例中所选用的Rogers4533介质板长度为170mm，宽度为70mm，厚度为0.762mm，介电常数为3.3，损耗角正切为0.002。
喇叭状开口的渐变槽线6的边缘为对称的两根指数型渐变线，以介质基板1上与渐变槽线6开口方向相反的底边中心为原点，以渐变槽线6开口方向为x轴正方向，以介质基板1底边为y轴，取一侧为y轴正方向时，与y轴正方向同侧的指数型渐变线的计算公式为：
其中x∈[2R1+D1，M]
a为所设指数型渐变线的渐变率，R1为圆形谐振腔7半径，D1为圆形谐振腔7边缘距底边的最短距离，M为介质基板1的长度，W1为渐变槽线6槽口最宽处宽度，W2为渐变槽线6最窄处宽度。另一侧槽线与本侧关于x轴对称，y轴正方向取反后与本侧槽线公式一致。
如图1所示，本实施例梳齿状栅格8由10个相同尺寸且等间距的长方形缝隙构成，相邻的两个缝隙间距为D2，波纹宽度为D3，波纹深度为L1。四边形金属贴片3上两条对角线相垂直，其中长的对角线的长度为L2，短的对角线长度为L3，长的对角线沿渐变槽线6的开槽方向设置，与渐变槽线6开口处距离为D4。
如图2所示，馈电结构包括L形阻抗匹配微带线4与扇形金属枝节5，L形阻抗匹配微带线4包括依次连接的6段微带线，其端口设置在与渐变槽线6开口方向相反的底边上，末端与扇形金属枝节5的顶点连接，6段微带线平均宽度为W3，端口距离介质基板1底边端点最近的距离为D5，从端口到枝节依次递减0.20mm～0.33mm，L形匹配微带线4的水平段长度为L4，垂直段长度为L5，扇形金属枝节5的半径为R2，开口90°。
各部件的尺寸参数如表1所示：
表1
结构参数 M N a W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub> R<sub>1</sub> R<sub>2</sub> L<sub>1</sub>
数值(mm) 170 70 0.04 68 0.6 0.95 6 10 20
结构参数 L<sub>2</sub> L<sub>2</sub> L<sub>4</sub> L<sub>5</sub> D<sub>1</sub> D<sub>2</sub> D<sub>3</sub> D<sub>4</sub> D<sub>5</sub>
数值(mm) 25 8 16.7 22.1 4 5 3 5 11.4
本实施例在电磁仿真软件HFSS 15.0中进行建模仿真。如图3为驻波比仿真结果示意图，电压驻波比VSWR低于2:1时的工作频带为2.3GHz～8GHz；如图4为增益仿真结果示意图，最大增益在7.8GHz处可达13.0533dB，且增益波动小，在较低频段处表现优异，增益均高于8.8dB；如图5为本实施例在2.3GHz的H面、E面辐射实现增益示意图；图6为本实施例在4GHz的H面、E面辐射实现增益示意图；图7为本实施例在6GHz的H面、E面辐射实现增益示意图；图8为本实施例在8GHz的H面、E面辐射实现增益示意图，以上方向图均具有良好的对称性，天线也具有较好的方向性。

Claims (7)

1.一种宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：包括介质基板(1)、金属贴片(2)、四边形金属贴片(3)、阻抗匹配微带线(4)和扇形金属枝节(5)，金属贴片(2)和四边形金属贴片(3)均固定在介质基板(1)的顶面，阻抗匹配微带线(4)和扇形金属枝节(5)均固定在介质基板(1)的底面，金属贴片(2)上开有关于其水平中心轴线对称的喇叭状开口的渐变槽线(6)，渐变槽线(6)呈指数型渐变，渐变槽线(6)底端设置圆形谐振腔(7)，渐变槽线(6)两条外侧壁分别设有等间隔的梳齿状栅格(8)，四边形金属贴片(3)位于渐变槽线(6)的开口处，阻抗匹配微带线(4)为L形，阻抗匹配微带线(4)一端连扇形金属枝节(5)，两者共同作为馈电结构。
2.根据权利要求1所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述介质基板(1)尺寸为170×70mm2，厚度为0.762mm，介电常数为3.3，相对磁导率为1，采用损耗角正切为0.002的Rogers4533布板。
3.根据权利要求1所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述喇叭状开口的渐变槽线(6)的边缘为对称的两根指数型渐变线，以介质基板(1)上与渐变槽线(6)开口方向相反的底边中心为原点，以渐变槽线(6)开口方向为x轴正方向，以介质基板(1)底边为y轴，取一侧为y轴正方向时，与y轴正方向同侧的指数型渐变线的计算公式为：
其中，x∈[2R1+D1，M]
a为所设指数型渐变线的渐变率，R1为圆形谐振腔(7)半径，D1为圆形谐振腔(7)边缘距底边的最短距离，M为介质基板(1)的长度，W1为渐变槽线(6)槽口最宽处宽度，W2为渐变槽线(6)最窄处宽度。
4.根据权利要求3所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述a为0.04，R1为6mm，D1为4mm，W1为68mm，W2为0.6mm。
5.根据权利要求1所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述梳齿状栅格(8)由10个相同尺寸且等间距的长方形缝隙构成，相邻的两个缝隙间距D2为5mm，波纹宽度D3为3mm，波纹深度L1为20mm。
6.根据权利要求1所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述四边形金属贴片(3)上两条对角线相垂直，其中长的对角线的长度L2为25mm，短的对角线长度L3为8mm，长的对角线沿渐变槽线(6)的开槽方向设置，与渐变槽线(6)开口处距离D4为5mm。
7.根据权利要求1所述的宽带高增益Vivaldi天线，其特征在于：所述阻抗匹配微带线(4)包括依次连接的6段微带线，其端口设置在与渐变槽线(6)开口方向相反的底边上，末端与扇形金属枝节(5)的顶点连接，6段微带线平均宽度W3为0.95mm，端口距离介质基板(1)底边端点最近的距离D5为11.4mm，从端口到枝节依次递减0.20mm～0.33mm，L形阻抗匹配微带线(4)的水平段长度L4为16.7mm，垂直段长度L5为22.1mm，扇形金属枝节(5)的半径R2为10mm，开口90°。
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