CN110808471A - 基于渐变型引向片加载的对拓Vivaldi天线 - Google Patents

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gradual
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杜伯学
宁江涛
孔晓晓
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    • 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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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors

Abstract

本发明公开一种基于渐变型引向片加载的对拓Vivaldi天线，在EGSA开口处加载渐变型引向片，该结构由三点弧线与直线围成；GPA天线，包括介质基板、金属辐射片、微带巴伦、椭圆槽线、指数渐变槽和渐变型引向片；金属辐射片分别固定在介质基板顶面与底面，阻抗匹配微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线金属贴片构成；金属辐射片上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线，金属辐射片外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽，在EGSA开口处加载GP。

Description

基于渐变型引向片加载的对拓Vivaldi天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于渐变型引向片加载的Vivaldi天线。
背景技术
随着通信技术的发展，宽频带、高增益、良好的定向性的天线愈发受到关注。Vivaldi天线，即指数锥削槽天线，是Gibson于1979年提出的一种端射的渐变槽线天线，其电流集中分布在呈指数规律变化的槽线附近，不同宽度的槽线对应辐射不同频率的电磁波。理论上，这种天线可以实现很宽的工作带宽。此外，Vivaldi天线还具有高增益和良好的端射性能。因而被广泛地应用于通信和电子对抗系统。但针对传统的对拓Vivaldi天线，现有的技术难以再进一步地改善Vivaldi天线的辐射增益与定向性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何进一步改善Vivaldi天线在辐射增益与定向性。
本发明提出一种加载指数渐变槽(Exponential gradient slot，简称EGS)的对拓Vivaldi天线，简称EGSA。在不增大平面尺寸的前提下，通过加载渐变型引向片(gradientpatch)改善辐射特性参数。改进后的Vivaldi天线简称GPA。
本发明所采用的技术方案是：基于渐变型引向片(gradient patch)加载的对拓Vivaldi天线研究。在EGSA开口处加载渐变型引向片(gradient patch，简称GP)，该结构由三点弧线与直线围成，见图2。对辐射过来的电磁波产生一定的引导作用，同时增大电流在槽线流动性,进而提高带宽内某些频率的增益和方向性。GPA天线，包括介质基板、金属辐射片、微带巴伦、椭圆槽线、指数渐变槽和渐变型引向片(GP)。金属辐射片分别固定在介质基板顶面与底面，阻抗匹配微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线金属贴片构成。金属辐射片上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线，金属辐射片外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽，在EGSA开口处加载GP结构。
有益效果
基于渐变型引向片(gradient patch)加载的对拓Vivaldi天线研究。具有如下有益效果：
(1)采用在金属辐射片开口处加载GP结构。明显地改善了Vivaldi天线在2.3-3GHz的回波损耗。
(2)GP结构的加载提高了天线在低频段的辐射增益。总体来看，结构改进将0.5-3GHz平均增益从5.72dB的提高为6.31dB。约束了全频段的电场偏移，减小了副波瓣，增强了辐射稳定性。
(3)结构简单，成本低，便于大规模加工生产，适用于特高频检测、通信和电子对抗系统。
附图说明
图1为本发明的指数渐变槽Vivaldi天线(EGSA)结构示意图。
图2为本发明的基于引向片加载的Vivaldi天线(GPA)结构示意图。
图3为EGSA与GPA的回波损耗仿真结果对比图。
图4为EGSA与GPA的增益仿真结果对比图。
图5为EGSA与GPA在频率为1.5，2，2.5,3GHz的E面与H面的辐射方向图。
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1EGSA、图2GPA所示，本发明提供的GPA包括介质基板1、金属辐射片2、微带巴伦3、椭圆槽线4、指数渐变槽线5、波纹状的的指数渐变槽(EGS)6和渐变型引向片(GP)7。金属辐射片2分别固定在介质基板1顶面与底面，用于阻抗匹配的微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线4金属贴片构成。金属辐射片2上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线5，金属辐射片2外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽6。在辐射贴片的喇叭状开口处加载渐变型引向片7
本实施例中所选用的FR-4介质板长度为99mm，宽度为99mm，厚度为2mm，相对介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02。
喇叭状开口的两条指数渐变槽线5的表达式为：
Figure BDA0002247786290000021
其中，曲率b与两指数槽线的起点、终点确定a和c，W0为50Ω微带馈线的宽度。椭圆槽线长短轴之比ratio＝0.107,L0为椭圆焦点到介质板边缘的横向距离。
本实施例在具有EGS结构(表达式如下)的EGSA基础上加载GP结构。
Figure BDA0002247786290000031
GP结构由三点弧线与直线围成，见图2。对辐射过来的电磁波产生一定的引导作用，同时增大电流在槽线流动性,进而提高带宽内某些频率的增益和方向性。渐变引向片的形状很大程度上相似于辐射渐变槽线，构成“多槽线”。进而使主辐射方向上的电磁波更加集中，有效地提高端射性能。
经HFSS软件优化后，GPA天线具体参数最终确定为表1。
表1天线结构参数
Figure BDA0002247786290000032
本实施例在电磁仿真软件HFSS中进行建模仿真。如图3为GPA与EGSA的回波损耗仿真结果对比示意图，S11<-10dB时的GPA与EGSA工作频带均覆盖0.77-3GHz。对比EGSA，GPA明显地改善了Vivaldi天线在2.3-3GHz的回波损耗。
如图4为GPA与EGSA的增益对比。在0.5-1.5GHz中，二者增益相近。在1.5-3.0GHz频率范围内，GPA比EGSA的增益明显增高，在2.34GHz处最高提高1.98dB。GP结构地引入有效地提高了增益。GPA的增益在1.5-3GHz达到4.2-8.3dB；
如图5为本实施例EGSA与GPA天线在频率为1.5，2，2.5,3GHz的E面与H面的方向图。可看出GPA的旁瓣少于并小于EGSA，说明GP的形状很大程度上相似于辐射渐变槽线，构成“多槽线”。进而使主辐射方向上的电磁波更加集中，有效地提高端射性能。

Claims (2)

1.基于渐变型引向片加载的对拓Vivaldi天线，其特征在于，在EGSA开口处加载渐变型引向片，该结构由三点弧线与直线围成；
GPA天线，包括介质基板、金属辐射片、微带巴伦、椭圆槽线、指数渐变槽和渐变型引向片；
金属辐射片分别固定在介质基板顶面与底面，阻抗匹配微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线金属贴片构成；
金属辐射片上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线，金属辐射片外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽，在EGSA开口处加载GP。
2.根据权利要求1所述的基于渐变型引向片加载的对拓Vivaldi天线，其特征在于，喇叭状开口的两条指数渐变槽线的表达式为：
Figure FDA0002247786280000011
其中，曲率b与两指数槽线的起点、终点确定a和c，W0为50Ω微带馈线的宽度；
椭圆槽线长短轴之比ratio＝0.107,L0为椭圆焦点到介质板边缘的横向距离。
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