CN109786960A - 一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，包括印制板基片、第一导体贴片、第二导体贴片、微带短截线和馈线，第一导体贴片固定在印制板基片的上表面，微带短截线和馈线固定在印制板基片的下表面，导体贴片一端设有指数渐变槽，指数渐变槽末端设有圆形谐振腔，圆形谐振腔旁连接阶梯槽，第一导体贴片两侧对称设有两个圆形开孔，第一导体贴片下端设有多个矩形加载槽线，指数渐变槽上固定有第二圆形导体贴片。本发明在传统型Vivaldi天线模型的基础上进行Vivaldi天线辐射性能的优化，通过缝隙加载解决了传统型Vivaldi天线在高频端增益骤降的问题，使天线在高频处主波束回到了端射方向，增强了天线的端射性能，减小了终端效应。

Description

一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线。

背景技术

在我们生活的世界里，无线电磁波利用天线设备通过波动传递着信息，天线作为无线设备中的重要组成部分，应用日渐广泛，需要满足小型化，易集成，平面化等要求，因此天线的设计必须要实现成本低、体积小、质量轻、易共型等指标。而超宽带通信中最重要的一部分自然是超宽带天线，因此超宽带天线也需要具备以上条件。

目前，超宽带技术已广泛应用于军事、通信、网络等多个方面，相比传统的无线电通信技术而言超宽带通信拥有以下几种优点：

(1)发射功率较低。传统的通信系统是通过在某些带宽条件下提高信噪比来增加信道容量，UWB系统是通过增加带宽，以增加信道的容量，由于UWB系统的非常宽的带宽，由所述UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，可以在各种电磁干扰和噪声中隐藏，因此安全性更高。与有线通信相比，无线电波在空间传播的开放性是无线电通信的固有缺陷。超宽带无线电可以达到射频带宽1GHz以上，并且所需的平均功率非常小，功率谱密度非常低，能够隐藏在环境噪声和其他信号中，从而难以被检测到，因此其隐蔽性和保密性相比传统通信系统来说都要好很多。

(2)传输速率高。与基于传统连续正弦波调制超宽带的技术不同，超宽带手段使用时间很短的窄脉冲信号来传输信息，通常每个脉冲只持续几皮秒到几纳秒，其对应的工作频带却高达几G赫兹，数据的传输速率可高达数百Mbit/s，相比下远超过其他类型通信的最大传输速率。

(3)系统容量大。超宽带通信系统中发送的冲激脉冲具有非常低的占空比，使用跳时(TH)地址码编制，容易构成与CDMA系统相似的移动网络，并且其处理增益够高，多渠道分辨率高，使用户的数量可以显著高于CDMA移动网络。在一个社区里，UWB可以通过容量支持的移动用户数量超过10,000以上。因此在高容量无线通信系统中，UWB系统具有很大的优势。

(4)穿透性强。UWB信号具有较大的相对带宽和较强的穿透能力。实验证明超宽带信号有很强的穿透树叶和障碍的能力，使他们能够弥补了常规超短波信号在丛林中的无法有效传播的缺陷。该实验还表明，适用于窄带系统的丛林通信模型也是适用于超宽带系统的。由于超宽带信号具有极强的穿透力，因此可以在室内环境和地下环境进行精确的定位，相比全球定位系统GPS只能工作在GPS定位卫星的可见范围内工作；对于全球定位系统提供的绝对位置，超宽带无线定位器可以给出相对位置，其定位精度可以达到PCT仪表级别。另外，超宽带技术还支持隔墙成像。

传统Vivaldi天线具有较宽的宽带和较高的增益，但是在高频段天线整体的辐射性能不太理想，Vivaldi天线在高频段处的辐射特性主要由渐变槽线起始刀臂内侧处的宽度所决定，而低频段的辐射特性主要由刀口宽度所决定，这也是这类行波天线的特征，即不同频率的电磁波信号由不同的槽线部分辐射，当然，微带-槽线耦合馈电巴伦结构也是传统型Vivaldi天线带宽受限的主要影响来源。

因此，探索新的端射天线结构，致力于研究小型化、拓展带宽同时保证高增益的新方法，具有深远的科学意义，提升端射天线的关键技术具有重要的工程价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，本发明采用传统型Vivaldi天线作为设计基础，在传统型Vivaldi天线模型的基础上进行辐射性能的优化，通过缝隙加载，提高天线高频性能，设计科学合理，性能提升显著，可推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，其特征在于，包括矩形印制板基片、第一导体贴片、第二导体贴片、微带短截线和馈线，所述印制板基片分为上表面和下表面，所述第一导体贴片贴合覆盖固定在上表面上，所述微带短截线连接所述馈线，所述微带短截线和馈线固定在下表面上，所述第一导体贴片的一端开设有指数渐变槽，所述第一导体贴片的另一端以第一导体贴片的中心线为中心对称开设有多个矩形加载线槽，所述第一导体贴片上在指数渐变槽的窄口处开设有圆形谐振腔，所述第一导体贴片上在圆形谐振腔旁侧开设有阶梯槽，所述第一导体贴片的中间偏上位置在指数渐变槽的两侧对称开设有两个圆形孔，所述第二导体贴片呈圆形，所述第二导体贴片固定在印制板基片上位于指数渐变槽的宽口位置。

优选地，所述指数渐变槽与圆形谐振腔连通，所述圆形谐振腔与阶梯槽连通。

优选地，所述印制板基片的长度为108mm，宽度为67mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4；所述第二导体贴片的半径为10mm；所述圆形谐振腔的半径为7.9mm；所述矩形加载线槽的数量为6个，且对称分布在圆形谐振腔的两侧，所述矩形加载线槽的宽度为5mm，单侧矩形加载线槽的长度分别为7.9mm、12.9mm、17.9mm；所述圆形孔的半径为10.5mm；所述微带短截线和馈线距离下表面的下端23mm，所述微带短截线的长度为35mm，宽度为2mm；所述馈线的半径为6.5mm。

优选地，在第一导体贴片上从圆形谐振腔沿着微带馈电的方向加载了一条阶梯槽，从而将电流重新分布，加强了Vivaldi天线上指数渐变槽内的电流强度，尤其是指数渐变槽初始处的电流强度，进而提高了天线高频段的辐射性能，在10.5GHz处提高了6.5dBi，也整体提高了Vivaldi天线在3GHz-11GHz频段内天线的方向性、前后比，从而使得天线的端射性增强。

优选地，在第一导体贴片的底端开设多个矩形加载线槽能增加低频谐振点，进一步改善低频性能。

优选地，在第一导体贴片上开设两个圆形孔能增加高频谐振点，改善高频性能。

优选地，在印制板基片的上表面上设置圆形的第二导体贴片能提高中频性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用传统型Vivaldi天线作为设计基础，在传统型Vivaldi天线模型的基础上进行辐射性能的优化，通过加载阶梯槽，提高天线高频性能，设计科学合理，性能提升显著，可推广使用。

2、本发明在传统型Vivaldi天线模型的基础上增加矩形加载线槽提高低频性能，增加圆形孔能进一步改善高频性能，增加圆形的第二导体贴片提高中频性能，进而使改进后的天线整体性能较传统型Vivaldi天线得到很大提升，

3、本发明中天线在圆形谐振腔旁侧开设阶梯槽，对天线的阻抗匹配造成了影响，导致天线的驻波比和反射系数都有一定的升高，能够满足实际工程需求，使得天线在3GHz-11GHz频段内整体增益都得到了提高，并且前后比较好，有较好的方向性，解决了传统型Vivaldi天线在高频端增益骤降的问题，使天线在高频处主波束回到了端射方向，增强了天线的端射性能，减小了终端效应。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的上表面a和下表面b的结构示意图。

图2是本发明在不同频段的仿真天线方向图；(a)天线在3GHz处的方向图，(b)天线在5.5GHz处的方向图，(c)天线在8GHz处的方向图，(d)天线在10.5GHz处的方向图。

图3是本发明的驻波比VSWR与频率的曲线坐标图。

图4是本发明反射系数与频率的曲线坐标图。

图5是对比例1的上表面结构示意图。

图6是对比例2的上表面结构示意图。

图7是对比例3的上表面结构示意图。

图8是对比例4的上表面结构示意图。

图9是对比例1的驻波比图。

图10是对比例2的驻波比图。

图11是对比例3的驻波比图。

图12是对比例4的驻波比图。

图13是本发明的驻波比图。

附图标记说明：

1—上表面； 2—下表面； 3—第一导体贴片；

4—第二导体贴片； 5—矩形加载线槽； 6—圆形谐振腔；

7—阶梯槽； 8—圆形孔； 9—指数渐变槽；

10—微带短截线； 11—馈线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例包括矩形印制板基片、第一导体贴片3、第二导体贴片4、微带短截线10和馈线11，所述印制板基片分为上表面1和下表面2，所述第一导体贴片3贴合覆盖固定在上表面1上，所述微带短截线10连接所述馈线11，所述微带短截线10和馈线11固定在下表面2上，所述第一导体贴片3的一端开设有指数渐变槽9，所述第一导体贴片3的另一端以第一导体贴片3的中心线为中心对称开设有六个矩形加载线槽5，所述第一导体贴片3上在指数渐变槽9的窄口处开设有圆形谐振腔6，所述第一导体贴片3上在圆形谐振腔6旁侧开设有阶梯槽7，所述第一导体贴片3的中间偏上位置在指数渐变槽9的两侧对称开设有两个圆形孔8，所述第二导体贴片4呈圆形，所述第二导体贴片4固定在印制板基片上位于指数渐变槽9的宽口位置。

本实施例中，所述指数渐变槽9与圆形谐振腔6连通，所述圆形谐振腔6与阶梯槽7连通。

本实施例中，所述印制板基片的长度为108mm，宽度为67mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4；所述第二导体贴片4的半径为10mm；所述圆形谐振腔6的半径为7.9mm；所述矩形加载线槽5的宽度为5mm，单侧三个所述矩形加载线槽5的长度分别为7.9mm、12.9mm、17.9mm；所述圆形孔8的半径为10.5mm；所述微带短截线10和馈线11距离下表面2的下端23mm，所述微带短截线10的长度为35mm，宽度为2mm；所述馈线11的半径为6.5mm。

对比例1

本对比例为经典Vivaldi天线，如图5所示，包括矩形印制板基片、第一导体贴片3、微带短截线10和馈线11，印制板基片分为上表面1和下表面2，所述第一导体贴片3贴合覆盖固定在上表面1上，所述微带短截线10连接所述馈线11，所述微带短截线10和馈线11固定在下表面2上，所述第一导体贴片3的一端开设有指数渐变槽9，所述第一导体贴片3上在指数渐变槽9的窄口处开设有圆形谐振腔6。

本对比例中的经典Vivaldi天线驻波比图如图9所示。

对比例2

本对比例为在经典Vivaldi天线基础上上表面1增加阶梯槽7，如图6所示，本对比例包括矩形印制板基片、第一导体贴片3、微带短截线10和馈线11，印制板基片分为上表面1和下表面2，所述第一导体贴片3贴合覆盖固定在上表面1上，所述微带短截线10连接所述馈线11，所述微带短截线10和馈线11固定在下表面2上，所述第一导体贴片3的一端开设有指数渐变槽9，所述第一导体贴片3上在指数渐变槽9的窄口处开设有圆形谐振腔6，第一导体贴片3上在圆形谐振腔6旁侧开设有阶梯槽7。

本对比例的驻波比图如图10所示。

对比例3

本对比例为在对比例2的基础上在上表面增加矩形加载线槽5，如图7所示，本对比例包括矩形印制板基片、第一导体贴片3、微带短截线10和馈线11，印制板基片分为上表面1和下表面2，所述第一导体贴片3贴合覆盖固定在上表面1上，所述微带短截线10连接所述馈线11，所述微带短截线10和馈线11固定在下表面2上，所述第一导体贴片3的一端开设有指数渐变槽9，所述第一导体贴片3的另一端以第一导体贴片3的中心线为中心对称开设有六个矩形加载线槽5，所述第一导体贴片3上在指数渐变槽9的窄口处开设有圆形谐振腔6，第一导体贴片3上在圆形谐振腔6旁侧开设有阶梯槽7。

本对比例的驻波比图如图11所示。

对比例4

本对比例为在对比例3的基础上在上表面增加圆形孔8，如图8所示，本对比例包括矩形印制板基片、第一导体贴片3、微带短截线10和馈线11，印制板基片分为上表面1和下表面2，所述第一导体贴片3贴合覆盖固定在上表面1上，所述微带短截线10连接所述馈线11，所述微带短截线10和馈线11固定在下表面2上，所述第一导体贴片3的一端开设有指数渐变槽9，所述第一导体贴片3的另一端以第一导体贴片3的中心线为中心对称开设有六个矩形加载线槽5，所述第一导体贴片3上在指数渐变槽9的窄口处开设有圆形谐振腔6，第一导体贴片3上在圆形谐振腔6旁侧开设有阶梯槽7，第一导体贴片3的中间偏上位置在指数渐变槽9的两侧对称开设有两个圆形孔8。

本对比例的驻波比图如图12所示。

对比例5

本对比例为在对比例4的基础上在上表面增加圆形的第二导体贴片4，如图1所示即为本实施例所提供的一种改进的Vivaldi天线，其驻波比图如图13所示。

如图2至图4所示，通过本实施例与各对比例的对比发现，在第一导体贴片3上从圆形谐振腔6沿着微带馈电的方向加载了一条阶梯槽7，从而将电流重新分布，加强了Vivaldi天线上指数渐变槽9内的电流强度，尤其是指数渐变槽9初始处的电流强度，进而提高了天线高频段的辐射性能，在3GHz-11GHz内，VSWR基本小于2.5，能够满足实际工程需求，天线在3GHz-11GHz频段内整体增益都得到了提高，并且前后比较好，有较好的方向性，在3GHz频点处，其方向图增益为7.7dBi，在5.5GHz频点处，其方向图增益为9.7dBi，在8GHz频点处，其方向图增益为9.3dBi，在10.5GHz频点处，其方向图增益达到6dBi，主波束回到了端射方向，方向性有较大提升。基本上解决了传统型Vivaldi天线在高频端增益骤降的问题，使天线在高频处主波束回到了端射方向，增强了天线的端射性能，减小了终端效应使用时。

本实施例中，在第一导体贴片3的底端开设多个矩形加载线槽5能增加低频谐振点，进一步改善低频性能；在第一导体贴片3上开设两个圆形孔8能增加高频谐振点，改善高频性能；在印制板基片的上表面上设置圆形的第二导体贴片4能提高中频性能，从而使改进后的Vivaldi天线整体性能得到全面提升。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，其特征在于，包括矩形印制板基片、第一导体贴片(3)、第二导体贴片(4)、微带短截线(10)和馈线(11)，所述印制板基片分为上表面(1)和下表面(2)，所述第一导体贴片(3)贴合覆盖固定在上表面(1)上，所述微带短截线(10)连接所述馈线(11)，所述微带短截线(10)和馈线(11)固定在下表面(2)上，所述第一导体贴片(3)的一端开设有指数渐变槽(9)，所述第一导体贴片(3)的另一端以第一导体贴片(3)的中心线为中心对称开设有多个矩形加载线槽(5)，所述第一导体贴片(3)上在指数渐变槽(9)的窄口处开设有圆形谐振腔(6)，所述第一导体贴片(3)上在圆形谐振腔(6)旁侧开设有阶梯槽(7)，所述第一导体贴片(3)的中间偏上位置在指数渐变槽(9)的两侧对称开设有两个圆形孔(8)，所述第二导体贴片(4)呈圆形，所述第二导体贴片(4)固定在印制板基片上位于指数渐变槽(9)的宽口位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，其特征在于，所述指数渐变槽(9)与圆形谐振腔(6)连通，所述圆形谐振腔(6)与阶梯槽(7)连通。

3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带高增益改进的Vivaldi天线，其特征在于，所述印制板基片的长度为108mm，宽度为67mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4；所述第二导体贴片(4)的半径为10mm；所述圆形谐振腔(6)的半径为7.9mm；所述矩形加载线槽(5)的数量为六个，所述矩形加载线槽(5)的宽度为5mm，单侧三个所述矩形加载线槽(5)的长度由内至外依次为7.9mm、12.9mm、17.9mm；所述圆形孔(8)的半径为10.5mm；所述微带短截线(10)和馈线(11)距离下表面(2)的下端距离为23mm，所述微带短截线(10)的长度为35mm，宽度为2mm，所述馈线(11)的半径为6.5mm。