CN111541030B - 面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线，包括：第一金属辐射片和第二金属辐射片，介电基板由长度L、宽度W的矩形以及半径为L/2的半圆组成；第一金属辐射片与第二金属辐射片，以介电基板中线为对称轴分别对称印刷在介电基板中矩形水平面的正面和背面，第一金属辐射片与第二金属辐射片上各刻蚀一道T型槽线；其中，T型槽线由两条槽线组成，且互相垂直，T型槽线与介电基板中线的夹角分别为θ；互补开口环以介电基板中心线为对称轴，对称分布；第一金属辐射片与第二金属辐射片包括内渐变线与外渐变线。该方案可延展天线带宽，拓宽天线的工作频段，消除天线增益峰值的偏移问题，使辐射性能达到最佳，并提高天线的增益值。

Description

面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，特别涉及一种面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线。

背景技术

随着信息通信技术(ICT)及人工智能(AI)技术的飞速发展，超宽带、低时延、万物互联将改变人类的信息社会。由于有限的频谱资源，超宽带技术以其高性能、高速率、低功耗、低成本等优点成为当前通信技术中最具有竞争力的热门技术之一。

备受瞩目的2019年世界无线电通信大会(WRC-19)已正式确定了5G毫米波通信频段，24.25GHz～27.5GHz可用于5G网络部署，此举将促进我国5G移动通信网络、通信计量的进一步发展。

但是，在现有的宽带通信天线计量与校准过程中，需要置换多套天线，才能达到更换通信工作频段的问题。

因此，本发明针对现有技术不足提供了一种面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线。

发明内容

本发明提供面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线，为了解决现有宽带通信天线计量与校准需要置换多套天线的问题，提供以下技术方案：

本发明提供一种面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线，包括：介电基板、一对金属辐射片、一对T型槽线、n个互补开口环、所述介电基板之间的介质层；

所述一对金属辐射片包括第一金属辐射片和第二金属辐射片；

所述介电基板由长度L、宽度W的矩形以及半径为L/2的半圆组成；

所述第一金属辐射片与第二金属辐射片，以所述介电基板中线为对称轴分别对称印刷在所述介电基板中矩形水平面的正面和背面，所述第一金属辐射片与第二金属辐射片上各刻蚀一道T型槽线；

其中，T型槽线由两条槽线组成，且互相垂直，所述T型槽线与介电基板中线的夹角分别为θ，且θ均为60°；

所述互补开口环以介电基板中心线为对称轴，左右对称分布；

所述第一金属辐射片与第二金属辐射片包括内渐变线与外渐变线。

优选地，所述外渐变线为指数渐变线，其方程为：y＝exp(-ax)，其中，x和y为指数渐变线的x坐标和y坐标，a为天线的开放指数，取值0.0269；

其中，当x＝x₁时，y＝y₁；当x＝x₂时，y＝y₂，其中，x₁、y₁、x₂、y₂为指数渐变线的起始点坐标(x₁,y₁)和终点的坐标(x₂,y₂)，且|x₂-x₁|＝177mm。

优选地，所述内渐变线为半椭圆曲线，所述半椭圆曲线的长轴a₁＝36mm；所述半椭圆曲线的短轴b₁＝18mm。

优选地，所述T型槽线的互相垂直的槽线条分别为L2＝38mm,L3＝16mm。

优选地，所述n个互补开口环构成互补开口环阵列，且所述互补开口环阵列以介电基板的中线对称轴为基准，左右各n/2个互补开口环，呈对称分布。

优选地，所述介质层的高度为h₁＝0.254mm,且所述介质层的长与宽被n个互补开口环所覆盖，且所述介质层的介电常数为2.20。

优选地，所述介电基板为厚度是H＝0.508mm的高频基板，且所述介电基板的长度L＝195mm，宽度W＝95mm；

且所述介电基板的介电常数为2.94。

优选地，超宽带对跖Vivaldi天线驻波比小于2，且阻抗带宽为1GHz～28GHz，阻抗带宽内增益为2dB～13.7dB。

优选地，超宽带对跖Vivaldi天线的第一金属辐射片与第二金属辐射片的馈线末端的输入端口的阻抗为50Ω。

优选地，所述n为30。

本发明进一步的设计方案中,本发明具有以下突出的有益效果：

上述技术方案中设置的天线，具有馈电简单、辐射方向性好、超宽带、高增益、滤波特性好等特点，可覆盖2G～5G通信波段，加上其结构轻巧、易于共形与集成等特点，且上述技术方案可有效的拓宽天线的工作频段，通过设置n个互补开口环和T型槽线，来延展天线带宽，消除天线增益峰值的偏移问题，使主轴方向辐射性能达到最佳，并提高天线的增益值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线结构示意图；

图2为本发明的一实施例图；

图3为本发明的另一实施例图；

图4为本发明面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线驻波比仿真结果图；

图5为本发明面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线增益仿真结果图；

图6为本发明面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线E面方向图仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线，如图1所示，包括介电基板和印制在介电基板的正反两面的第一金属辐射片1与第二金属辐射片2及30个对称分布的互补开口谐振环阵列单元，即30个互补开口环4；

本发明中，介电基板为厚度H＝0.508mm的高频基板，如Rogers6002基板，其中，基板矩形长度L＝195mm，W＝77mm；半圆形基板部分为以L/2为半径的半圆，且介电基板表面为矩形与半圆形的组合形状。

本发明中，第一金属辐射片1与第二金属辐射片2的形状相同，且相互构成沿辐射方向的介电基板中心轴旋转对称；第一金属辐射片1与第二金属辐射片2上分别刻蚀有T型槽线3，T型槽线3上的两条槽线的相互夹角为90°，T形槽线3与介电基板中心对称轴的夹角θ＝60°。第一金属辐射片与第二金属辐射片的两边分别为内渐变线5和外渐变线6：

优选地，内渐变线5为椭圆函数渐变线，椭圆函数渐变线的长轴为a₁＝36mm，短轴为b₁＝18mm。

优选地，外渐变线6为指数函数渐变线，满足函数：y＝exp(-ax)；式中：x、y分别为指数渐变线x坐标和y坐标，a为天线的开放指数，取值0.0269；x₁、y₁、x₂、y₂为指数渐变线的起始点坐标(x₁,y₁)和终点的坐标(x₂,y₂)。

参照如图2，在一对外渐变线6之间刻蚀有以介电基板为中心线对称分布的互补开口环谐振器阵列，阵列中所有阵元完全相同，呈左右对称分布，各15个，总共30个，左右阵列间距g3＝0.8mm；阵列单元左右及上下间距为g1、g2及阵元具体参数如图3：g1＝g2＝0.3mm；a＝9mm，b＝5.8mm。

优选地，第一金属辐射片1的底部连接有金属微带馈线。

该对跖型Vivaldi天线的正面与反面的金属辐射片结构完全相同，且关于主轴辐射方向旋转对称，即沿辐射方向的介电基板中心轴旋转对称，便于有效改善天线方向图的不对称性。此外，为了进一步延展天线带宽，消除天线增益峰值的偏移问题，使主轴方向辐射性能达到最佳，并提高天线的增益值，在该对跖Vivaldi天线的辐射贴片内添加一对T型槽线3及30个以介电基板为对称轴对称分布的互补开口环阵列。该对跖型Vivaldi天线的馈线长度L_f＝18mm，馈线宽度W_f＝1.5mm，内指数线坐标x₂＝38mm，内指数线坐标y₂＝36mm，槽线末端距离W_t＝1mm，金属导体层厚度h_co＝0.0254mm。

其中，图4为本实施例的Vivaldi天线的驻波比仿真结果图，采用HFSS电磁仿真软件来进行仿真分析，得到驻波比仿真结果。

由驻波比仿真结果可知，在1GHz～28GHz频率范围内驻波比小于2，带宽在高频段还具有可扩展性。

在频率段：5GHz～15GH,22GHz～28GHz，该发明中的天线结构的驻波比要小于1.5；特别在5G的通信频段24.25GHz～27.5GHz，该天线的驻波比小于1.2表现了优越性能；

在宽频段：2GHz～28GHz，该天线的驻波比小于1.7；

从而说明该发明的天线结构抑制了其谐振波产生，天线整体的驻波比呈现优良；

图4中，VSWR(Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比)；Frequecy表示频率。

其中，图5为本实施例的Vivaldi天线的增益仿真结果图，在1GHz～28GHz频率范围内的增益为2dB～13.7dB。

在1GHz、5GHz、10GHz、18GHz、28GHz时候，该发明天线的增益分别为2.1dB、5.5dB、8.0dB、12.0dB、9.0dB；

图5中，Gain表示天线增益；Frequecy表示频率。

其中，图6为本实施例的Vivaldi天线的E面方向图仿真结果图。图1所示的XOY平面为天线的E面，以该天线在1GHz、5GHz、10GHz、18GHz、28GHz的E面方向图为例，该天线的E面方向图保持良好对称，方向图E面峰值偏移角度几乎为零，该对跖型Vivaldi天线具有较高的增益、较强的方向性和较低的副瓣电平；

图6中，normalized directivity coefficien表示归一化方向性系数；theta表示角度。

在一个实施例中，该天线设置完成之后，还包括：对所述天线的当前状态进行校验，所述校验步骤包括：

当所述天线设置完成并开始工作时，采集所述天线的当前工作参数m0；

基于服务器，对所述当前工作参数m0进行预处理，并将预处理结果与天线数据库中的预设参数进行比较，检测并判断所述天线是否正常工作，若是，基于间隔时间段对所述天线进行监测；

否则，实时采集所述天线的下一工作参数m1，并结合所述当前工作参数m0，从所述当前工作参数m0中提取第一异常参数，从所述下一工作参数m1中提取第二异常参数；

提取一一对应的第一异常参数和第二异常参数，构成公共异常集合m＝{m01与m11,...,m0i与m1i}，其中，i表示异常对数；

提取所述第一异常参数中的第一单独参数，构成第一异常集合m0′＝{m0′1,...,m0′j1}，其中，j1表示第一单独异常个数；

提取所述第一异常参数中的第二单独参数，构成第二异常集合m1′＝{m1′1,...,m1′j2},j2表弟第二异常单独个数；

确定所述公共异常集合的公共异常度W0；

其中，β₀₁表示对第一异常参数中m01的信息熵值；β₁₁表示对第二异常参数中m11的信息熵值；β_0i表示对第一异常参数中m0i的信息熵值；β_1i表示对第二异常参数中m1i的信息熵值；weight()表示权重值；

确定所述第一异常集合的第一异常度W1；

其中，β_0′1表示对第一异常参数中m0′1的信息熵值；β_0′j1表示对第一异常参数中m0′j1的信息熵值；

确定所述第二异常集合的第二异常度W2；

其中，β_1′1表示对第二异常参数中m1′1的信息熵值；β_1′j2表示对第二异常参数中m1′j2的信息熵值；

根据所述公共异常度W0、第一异常度W1和第二异常度W2，从异常检测数据库中，获取相关的检测方式；

根据所述检测方式，向所述天线的各个阵列单元同步发送校验信号，接收各通道的所述阵列单元在不同频点的阵列信号；

同时，根据所述阵列信号提取各通道在不同频点的幅度和相位，并对每个频点进行标号，且每个频点对应的幅度为f＝{f_k1k2,k1＝1,2,...,K1,k2＝1,2,3,...,K2}，其中，K1表示通道数量，K2表示频点数量；

每个频点对应的相位为x＝{x_k1k2,k1＝1,2,...,K1,k2＝1,2,3,...,K2}；

将一一对应的相位和幅度输入到干扰模型，并确定该频点是否存在外界因素干扰，若存在，调取第一消除函数X1，对该外界干扰进行消除；

同时，判断该频点是否存在自身因素干扰，若存在，调取第二消除函数X2，对该自身因素进行消除；

对消除自身因素和外界因素的该频点的信息进行重新获取，若获取结果与之前一致，将该频点进行标定，并进行报警提醒，同时，获取该频点的补偿函数，对该频点进行补偿处理；

基于补偿处理结果，对所述天线进行微调，实现对所述天线的校验。

例如，根据补偿处理结果，可对该天线的T型槽线的两个线槽的长度进行调节等。

上述技术方案的有益效果是：通过对设置完成后的天线进行微调，实现对天线的校验，其中，通过获取当前工作参数和下一工作参数，确定三类异常集合，并根据三类异常集合，来确定对该天线的检测方式，在检测过程中，通过设置多个频点，来获取每个频点的相位和幅度，进而对该频点的外界因素和自身因素进行消除，并进行信息的重新获取，最后，通过对该频点进行补偿处理，来实现对天线的微调，确保天线的在使用过程中，其天线的天线带宽是有效的，且消除天线增益峰值的偏移也是有效的。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.面向5G的开口环引向器的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，包括：介电基板、一对金属辐射片、一对T型槽线、n个互补开口环、所述介电基板之间的介质层；

所述一对金属辐射片包括第一金属辐射片和第二金属辐射片；

所述介电基板由长度L、宽度W的矩形以及半径为L/2的半圆组成；

所述第一金属辐射片与第二金属辐射片，以所述介电基板中线为对称轴分别对称印刷在所述介电基板中矩形水平面的正面和背面，所述第一金属辐射片与第二金属辐射片上各刻蚀一道T型槽线；

其中，T型槽线由两条槽线组成，且互相垂直，所述T型槽线与介电基板中线的夹角分别为θ，且θ均为60°；

所述互补开口环以介电基板中心线为对称轴，左右对称分布；

所述第一金属辐射片与第二金属辐射片包括内渐变线与外渐变线；

该天线设置完成之后，还包括：对所述天线的当前状态进行校验，所述校验步骤包括：

当所述天线设置完成并开始工作时，采集所述天线的当前工作参数m0；

基于服务器，对所述当前工作参数m0进行预处理，并将预处理结果与天线数据库中的预设参数进行比较，检测并判断所述天线是否正常工作，若是，基于间隔时间段对所述天线进行监测；

否则，实时采集所述天线的下一工作参数m1，并结合所述当前工作参数m0，从所述当前工作参数m0中提取第一异常参数，从所述下一工作参数m1中提取第二异常参数；

提取一一对应的第一异常参数和第二异常参数，构成公共异常集合m＝{m01与m11,...,m0i与m1i}，其中，i表示异常对数；

提取所述第一异常参数中的第一单独参数，构成第一异常集合m0′＝{m0′1,...,m0′j1}，其中，j1表示第一单独异常个数；

提取所述第一异常参数中的第二单独参数，构成第二异常集合m1′＝{m1′1,...,m1′j2},j2表弟第二异常单独个数；

确定所述公共异常集合的公共异常度W0；

其中，β₀₁表示对第一异常参数中m01的信息熵值；β₁₁表示对第二异常参数中m11的信息熵值；β_0i表示对第一异常参数中m0i的信息熵值；β_1i表示对第二异常参数中m1i的信息熵值；weight()表示权重值；

确定所述第一异常集合的第一异常度W1；

其中，β_0′1表示对第一异常参数中m0′1的信息熵值；β_0′j1表示对第一异常参数中m0′j1的信息熵值；

确定所述第二异常集合的第二异常度W2；

其中，β_1′1表示对第二异常参数中m1′1的信息熵值；β_1′j2表示对第二异常参数中m1′j2的信息熵值；

根据所述公共异常度W0、第一异常度W1和第二异常度W2，从异常检测数据库中，获取相关的检测方式；

根据所述检测方式，向所述天线的各个阵列单元同步发送校验信号，接收各通道的所述阵列单元在不同频点的阵列信号；

同时，根据所述阵列信号提取各通道在不同频点的幅度和相位，并对每个频点进行标号，且每个频点对应的幅度为f＝{f_k1k2,k1＝1,2,...,K1,k2＝1,2,3,...,K2}，其中，K1表示通道数量，K2表示频点数量；

每个频点对应的相位为x＝{x_k1k2,k1＝1,2,...,K1,k2＝1,2,3,...,K2}；

将一一对应的相位和幅度输入到干扰模型，并确定该频点是否存在外界因素干扰，若存在，调取第一消除函数X1，对该外界干扰进行消除；

同时，判断该频点是否存在自身因素干扰，若存在，调取第二消除函数X2，对该自身因素进行消除；

对消除自身因素和外界因素的该频点的信息进行重新获取，若获取结果与之前一致，将该频点进行标定，并进行报警提醒，同时，获取该频点的补偿函数，对该频点进行补偿处理；

基于补偿处理结果，对所述天线进行微调，实现对所述天线的校验。

2.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述外渐变线为指数渐变线，其方程为：y＝exp(-ax)，其中，x和y为指数渐变线的x坐标和y坐标，a为天线的开放指数，取值0.0269；

其中，当x＝x₁时，y＝y₁；当x＝x₂时，y＝y₂，其中，x₁、y₁、x₂、y₂为指数渐变线的起始点坐标(x₁,y₁)和终点的坐标(x₂,y₂)，且|x₂-x₁|＝177mm。

3.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述内渐变线为半椭圆曲线，所述半椭圆曲线的长轴a₁＝36mm；所述半椭圆曲线的短轴b₁＝18mm。

4.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述T型槽线的互相垂直的槽线条分别为L2＝38mm,L3＝16mm。

5.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述n个互补开口环构成互补开口环阵列，且所述互补开口环阵列以介电基板的中线对称轴为基准，左右各n/2个互补开口环，呈对称分布。

6.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述介质层的高度为h₁＝0.254mm,且所述介质层的长与宽被n个互补开口环所覆盖，且所述介质层的介电常数为2.20。

7.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

所述介电基板为厚度是H＝0.508mm的高频基板，且所述介电基板的长度L＝195mm，宽度W＝77mm；

且所述介电基板的介电常数为2.94。

8.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

超宽带对跖Vivaldi天线驻波比小于2，且阻抗带宽为1GHz～28GHz，阻抗带宽内增益为2dB～13.7dB。

9.如权利要求1所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，

超宽带对跖Vivaldi天线的第一金属辐射片与第二金属辐射片的馈线末端的输入端口的阻抗为50Ω。

10.如权利要求1、5-6任一所述的宽带对跖Vivaldi天线，其特征在于，所述n为30。

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