CN111697326A

CN111697326A - 超宽带Vivaldi天线

Info

Publication number: CN111697326A
Application number: CN202010674977.7A
Authority: CN
Inventors: 李高升; 潘少鹏; 赵宁; 冯杨; 陈攀; 于杰
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-09-22

Abstract

一种超宽带Vivaldi天线，包括基板、渐变开口槽和馈电单元，所述基板的上表面贴附有导体贴片，渐变开口槽设置在所述基板的上表面上，呈喇叭形开口；馈电单元设置在基板上，在所述渐变开口槽的两侧开设有半椭圆开口槽。进一步地，在渐变开口槽的开口端设置有超表面透镜，超表面透镜由多个超表面透镜单元排布而成。在不改变天线整体尺寸的基础上，通过设置半椭圆开口槽，改善了天线的低频阻抗带宽，扩宽了天线的工作带宽。另外，增设超表面透镜的Vivaldi天线提高了天线高频段的增益，改善了天线在高频段的辐射性能。

Description

超宽带Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种超宽带Vivaldi天线。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，信息网络和无线通信技术成为了人们生活中非常重要的一部分。无线通信设备的大量普及给我们的日常生产生活带来很多的便利。但是随之而来的频谱资源的越来越紧张，给无线通信技术的发展带来了挑战。在这种背景下，超宽带技术因其具有的高速率传输、低功耗等优点受到了研究者的广泛关注，其中超宽带天线的设计起到了至关重要的作用。

Vivaldi天线是一种平面结构的超宽带渐变开槽天线，因其具有的超宽带、低剖面、易加工等优点，受到了研究者的青睐。渐变开槽天线作为典型的超宽带天线在阻抗带宽、增益、交叉极化、波束宽度、副瓣电平以及定向辐射等方面具有显著的优点。渐变开槽天线具有高性能的超宽带辐射性能，通常可以覆盖几个甚至几十个倍频程的阻抗带宽。由于渐变开槽天线的表面电流主要集中在指数渐变线的内边缘，因此该类型天线的性能主要由指数渐变线的形状以及馈电方式决定。

Vivaldi天线作为一种典型的渐变开槽天线，其主要由两部分组成：指数渐变开口槽和馈电部分，如图1所示是原始Vivaldi天线的正面图，两个指数渐变的曲线围成了用于辐射的开口槽。如图2所示是原始Vivaldi天线的背面图，馈电结构由一段微带和终端的扇形匹配枝节组成，馈电采用耦合馈电的方式。由上面的分析可知，Vivaldi天线的表面电流主要分布在指数渐变槽的内测，当从微带馈电结构上馈电时，首先在天线最窄处的开口槽部分耦合出电流，然后电流沿着开口槽传播，从而将电磁波辐射出去。在低频段时，天线的工作状态为谐振状态，在高频段时天线的工作状态是行波状态，而天线开口槽的最大处与低频段的辐射性能有关，开口槽的最窄处与天线高频段的工作状态有关。因此在天线的整体尺寸确定的情况下，Vivaldi天线的低频工作性能就基本确定了，因此对于传统的Vivaldi天线来说，要想获得更好的低频特性，一般需要增大天线的尺寸。但在一些实际应用中，天线的尺寸会受到严格的限制，因此就需要考虑其他的改进方案来改善天线的低频特性。

对于传统的Vivaldi天线，当两个辐射极板上的电流相位相差180°时，两个极板上的电流耦合度较高，天线就可以在端射方向上获得很好的辐射方向图。但是在高频处，天线两个极板上的电流相位变化较大，不能很好的维持180°的相差，两个极板上的电流耦合度降低，就导致天线在高频段处的增益降低，方向图出现不规则。因此传统Vivaldi天线存在高频段增益恶化的问题需要改善。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种超宽带Vivaldi天线。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

超宽带Vivaldi天线，包括基板、渐变开口槽和馈电单元，所述基板的上表面贴附有导体贴片，渐变开口槽设置在所述基板的上表面上，呈喇叭形开口；馈电单元设置在基板上，在所述渐变开口槽的两侧开设有半椭圆开口槽。

作为本发明的优选方案，所述渐变开口槽由两条呈指数渐变的曲线围成。

作为本发明的优选方案，所述渐变开口槽两侧的半椭圆开口槽以渐变开口槽的中心线为对称轴对称设置。

作为本发明的优选方案，所述渐变开口槽两侧的半椭圆开口槽有多个，同一侧的半椭圆开口槽等间距排列。

作为本发明的优选方案，所述同一侧的半椭圆开口槽的尺寸沿着渐变开口槽的开口方向逐渐变小。

作为本发明的优选方案，所述半椭圆开口槽的尺寸包括半椭圆开口槽的长轴和短轴。

作为本发明的优选方案，在所述渐变开口槽内设置有超表面透镜单元，超表面透镜单元呈十字形，由两块相互垂直交叉的矩形金属贴片组成。

作为本发明的优选方案，改变超表面透镜单元的两块矩形金属贴片的长度能够分别对x和y极化方向的电磁波进行调制。

作为本发明的优选方案，超表面透镜单元有多个，多个超表面透镜单元排布成超表面透镜。超表面透镜设置在渐变开口槽的开口端。

作为本发明的优选方案，超表面透镜单元的数目越多，天线的辐射性能越好。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过在原始Vivaldi天线中刻蚀半椭圆槽线，形成半椭圆开口槽，在不改变天线整体尺寸的基础上，改善了天线的低频阻抗带宽，扩宽了天线的工作带宽，设计得到的Vivaldi天线实现了6-18GHz频段的完全匹配。

(2)针对Vivaldi天线在高频段增益下降的问题，本发明设计了一种超宽带的、结构简单、易于加工的可双极化调制的超表面透镜单元，将超表面单元按照一定的规则排布成超表面透镜，超表面透镜设置在渐变开口槽的开口端。增设了超表面透镜的Vivaldi天线提高了天线高频段的增益，改善了天线在高频段的辐射性能。

(3)本发明将半椭圆开口槽和超表面透镜结合在一起来解决传统Vivaldi天线存在的问题，最终所设计的Vivaldi天线获得了良好的辐射性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为原始Vivaldi天线的正面图；

图2为原始Vivaldi天线的背面图；

图3为原始Vivaldi天线的尺寸图；

图4为原始Vivaldi天线的S11仿真曲线图；

图5为本发明实施例1的结构示意图；

图6为实施例1与原始Vivaldi天线S11曲线对比图。

图7为实施例1与原始Vivaldi天线增益曲线对比图。

图8为本发明设计的超表面透镜单元的结构示意图。

图9为本发明设计的超表面透镜单元的S参数仿真曲线图。

图10为本发明实施例2的结构示意图。

图11为原始Vivaldi天线、实施例1提供的Vivaldi天线以及实施例2提供的Vivaldi天线的S11仿真曲线对比图。

图12为原始Vivaldi天线、实施例1提供的Vivaldi天线以及实施例2提供的Vivaldi天线的增益曲线对比图。

图13为实施例2提供的Vivaldi天线的实物图。

图14为实施例2提供的Vivaldi天线测试得到的S11曲线图。

图15为实施例2提供的Vivaldi天线6-12GHz频段测试到XOZ面方向图。

图16为实施例2提供的Vivaldi天线6-12GHz频段测试到XOY面方向图。

图17为实施例2提供的Vivaldi天线12-18GHz频段测试到XOZ面方向图。

图18为实施例2提供的Vivaldi天线12-18GHz频段测试到XOY面方向图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示是原始Vivaldi天线的正面图，两个指数渐变的曲线围成了用于辐射的开口槽。如图2所示是原始Vivaldi天线的背面图，馈电结构由一段微带和终端的扇形匹配枝节组成，馈电采用耦合馈电的方式。如图3所示，是设计的原始Vivaldi天线的尺寸图，天线尺寸为72mm*41mm*0.381mm，基板材料为Rogers RT5880，介电常数为2.2。该天线的S11计算结果如图4所示，可以看到原始Vivaldi天线具有很大的阻抗带宽，但是受限于天线开口的大小，在6.8-7.5GHz的低频段内的S11值大于-10dB，即天线在这个低频段内的辐射性能不能满足正常工作的需求。从上面的分析可以知道，Vivaldi天线的表面电流主要分布在指数渐变槽的内测，但是在低频段时，天线中波的等效波长较大，就会出现部分电磁波绕射到天线边缘的情况，从而使得表面电流不集中在渐变槽的内测，恶化了天线的低频特性。

针对设计的原始Vivaldi天线在6.8-7.5GHz的低频段内的S11值恶化的问题，下面提供本发明的具体实施例1，其要解决的技术问题是在不改变原始Viv aldi天线整体尺寸的情况下改善天线的低频特性。

实施例1：

参照图5，为本实施例的结构示意图，一种超宽带Vivaldi天线，包括基板1、渐变开口槽2和馈电单元3。基板材料为Rogers RT5880，介电常数为2.2。所述基板的上表面贴附有导体贴片，渐变开口槽2设置在所述基板1的上表面上，呈喇叭形开口，所述渐变开口槽2由两条呈指数渐变的曲线围成。馈电单元3设置在基板1上，在所述渐变开口槽2的两侧开设有多个以渐变开口槽2的中心线为对称轴对称设置的半椭圆开口槽4。同一侧的半椭圆开口槽4等间距排列。半椭圆开口槽4的存在可减弱天线边缘处电流的存在，从而使得电流更集中的分布在天线渐变槽线周围，以此改善天线的低频辐射性能。

具体地址，如图5所示，天线尺寸为72mm*41mm*0.381mm。半椭圆开口槽的尺寸是渐变的，同一侧的半椭圆开口槽的尺寸沿着渐变开口槽的开口方向逐渐变小。在所述渐变开口槽的两侧分别开设有四个半椭圆开口槽。同一侧的相邻半椭圆开口槽之间相距gap。沿着渐变开口槽的开口方向依次分别为第一半椭圆开口槽、第二半椭圆开口槽、第三半椭圆开口槽和第四半椭圆开口槽，第一半椭圆开口槽、第二半椭圆开口槽、第三半椭圆开口槽和第四半椭圆开口槽的长轴分别为v4、v3、v2、v1，短轴分别为u4、u3、u2、u1。基板长度L＝72mm，基板宽度W＝41mm，v1＝6mm，v2＝8mm，v3＝10mm，v4＝12mm，u1＝2mm，u2＝3mm，u3＝4mm，u4＝5mm，gap＝5mm。

将实施例1的仿真结果与原始的Vivaldi天线仿真结果进行对比，S11对比结果如图6所示，从对比结果可以看到，刻蚀半椭圆开口槽后，Vivaldi天线的阻抗带宽明显改善，6.8-7.5GHz频段内的恶化问题得到了解决，Vivaldi天线在6-18GHz频段内实现完全匹配。实施例1与原始的Vivaldi天线的增益曲线对比结果如图7所示，可以看到，刻有半椭圆开口槽后对Vivaldi天线在低频段的增益也有所改善，6-11.7GHz的增益得到了提高，但这牺牲了Vivaldi天线在高频段的增益，可以看到刻有半椭圆开口槽的Vivaldi天线在11.7-18GHz的增益降低了。

实施例2：

实施例2在不改变天线整体尺寸的情况下，将天线高频处的增益补偿回来甚至是提高天线高频段的增益值。

参照图10，一种超宽带Vivaldi天线，包括基板1、渐变开口槽2和馈电单元3。基板材料为Rogers RT5880，介电常数为2.2。所述基板的上表面贴附有导体贴片，渐变开口槽2设置在所述基板1的上表面上，呈喇叭形开口，所述渐变开口槽2由两条呈指数渐变的曲线围成。馈电单元3设置在基板1上，在所述渐变开口槽2的两侧开设有多个以渐变开口槽2的中心线为对称轴对称设置的半椭圆开口槽4。同一侧的半椭圆开口槽4等间距排列。半椭圆开口槽4的存在可减弱天线边缘处电流的存在，从而使得电流更集中的分布在天线渐变槽线周围，以此改善天线的低频辐射性能。在所述渐变开口槽2的开口端侧设置有超表面透镜5。超表面透镜5由多个超表面透镜单元6排列而成。

本实施例在实施例1的基础上，在所述渐变开口槽的开口端侧加载超表面透镜，以达到提高天线的增益的目的。超表面透镜是一种二维的平面结构，其是由一个个亚波长的超表面透镜单元按照一定的规则排列而成的。相对于传统的介质透镜，超表面透镜具有结构简单、低剖面、易加工、易于集成等优点，因此也越来越受到研究者的青睐。相对于天线的介质基板，超表面透镜可以提供更大的有效介电常数和磁导率，从而可以更好的引导电磁波的传播，改善天线的辐射特性。

其中参照图8，本发明所设计的超表面透镜单元呈十字形，由两块相互垂直交叉的矩形金属贴片组成。“十”字形金属结构，这种结构的好处主要有两点：一是结构简单，易于与原始天线集成；二是“十”字形结构具有相互交叉的两个矩形金属贴片，通过调整两个矩形金属贴片的长度可以分别对x和y极化方向的电磁波进行调制。该超表面透镜单元的S参数仿真结果如图9所示，可以看到S11在2-20GHz频段内均在-10dB以下，在全频段内S21值接近于0，即设计的超表面透镜单元完全可以满足Vivaldi天线6-18GHz的工作带宽，且带来的损耗很小。

如图10所示，将多个超表面透镜单元按照一定的规则排布成超表面透镜，并加载到Vivaldi天线其渐变开口槽的开口端侧。在CST软件中对实施例2中的天线进行仿真，仿真得到的S11对比结果如图11所示，可以看到与实施例1提供的Vivaldi天线相比，实施例2中加载超表面透镜后Vivaldi天线的S11在6-18GHz频段内仍然完全匹配，无明显恶化。

原始Vivaldi天线、实施例1提供的Vivaldi天线以及实施例2提供的Vival di天线，这三个天线在相同整体尺寸的前提下的增益曲线对比结果如图12所示，可以看到，相较于实施例1提供的Vivaldi天线，实施例2中加载了超表面透镜后的Vivaldi天线在高频段的增益显著提高，最大提高1.2dB，同时天线在低频段的增益也有所提高。可以看到，实施例2提供的Vivaldi天线的增益在高频段基本与原始Vivaldi天线一致，而在低频段，前者的增益明显得到了提高，最大提高接近2dB。通过上面的分析可以看到，实施例2设计的加载超表面透镜的V ivaldi天线明显提高了天线的增益，改善了天线的辐射特性。

根据仿真的得到的优化参数，设计对实施例2提供的Vivaldi天线进行了加工测试，实物图如图13所示。测试得到的S11如图14所示，测试得到的6-12GHz频段XOZ面、6-12GHz频段XOY面、12-18GHz频段XOZ面以及12-18G Hz频段XOY面的方向图分别如图15、图16、图17、图18所示，经过计算可以得到，天线的增益均在7.2dB以上，最大增益为12.5dB。仿真和实测的增益误差主要是由于测试环境造成的，测试环境在高频段的工作状态较差，损耗大。

综上所述，发明通过在原始Vivaldi天线上刻蚀半椭圆开口槽，改善了天线的低频阻抗特性，拓宽了天线的工作带宽。针对刻有半椭圆开口槽的Vivaldi天线高频段增益下降的问题，设计了超表面透镜，并加载到刻蚀半椭圆开口槽的v ivaldi天线中，提高了天线高频段的增益。总而言之，通过刻蚀半椭圆开口槽和加载超表面透镜改善了原始Vivaldi天线的低频阻抗带宽，扩宽了工作带宽，提高了天线在低频段的增益。

此外，本发明为了不改变原始Vivaldi天线的整体尺寸，加载的超表面透镜未超出天线的口径，可以验证，如果增加超表面透镜的大小，即增加超表面单元的数目，Vivaldi天线的辐射性能的改善也将会更好。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.超宽带Vivaldi天线，包括基板、渐变开口槽和馈电单元，所述基板的上表面贴附有导体贴片，渐变开口槽设置在所述基板的上表面上，呈喇叭形开口；馈电单元设置在基板上，其特征在于，在所述渐变开口槽的两侧开设有半椭圆开口槽。

2.根据权利要求1所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所述渐变开口槽由两条呈指数渐变的曲线围成。

3.根据权利要求1所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所述渐变开口槽两侧的半椭圆开口槽以渐变开口槽的中心线为对称轴对称设置。

4.根据权利要求3所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所述渐变开口槽两侧的半椭圆开口槽有多个，同一侧的半椭圆开口槽等间距排列。

5.根据权利要求4所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所述同一侧的半椭圆开口槽的尺寸沿着渐变开口槽的开口方向逐渐变小。

6.根据权利要求4所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，所述半椭圆开口槽的尺寸包括半椭圆开口槽的长轴和短轴。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，在所述渐变开口槽内设置有超表面透镜单元，超表面透镜单元呈十字形，由两块相互垂直交叉的矩形金属贴片组成。

8.根据权利要求7所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，改变超表面透镜单元的两块矩形金属贴片的长度能够分别对x和y极化方向的电磁波进行调制。

9.根据权利要求7所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，超表面透镜单元有多个，多个超表面透镜单元排布成超表面透镜。

10.根据权利要求9所述的超宽带Vivaldi天线，其特征在于，超表面透镜单元的数目越多，天线的辐射性能越好。