CN112821058A - 一种Vivaldi天线 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种Vivaldi天线，包括两个对称设置的辐射单元，每个辐射单元包括形成开口的槽线；谐振腔，与槽线相连；截断边界单元，设置在两个辐射单元的槽线之间并轴向延伸；以及馈电单元。本公开通过在Vivaldi天线的槽线之间设置截断边界单元，在宽带内实现了稳定的增益及波束宽度。

Description

一种Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种Vivaldi天线。

背景技术

天线是无线通信中必不可少的发射和接收电磁波的器件，天线的性能决定了电磁能量传输的效率。随着通信技术的飞速发展，人们对天线的性能提出了越来越高的要求。例如在一些无线通信或无线测试的场景中，要求天线能够在较宽的频带内具有稳定的宽波束。

发明内容

本公开描述了一种Vivaldi天线。

根据本公开的实施例的第一方面，提供一种Vivaldi天线，包括：两个对称设置的辐射单元，每个辐射单元包括形成开口的槽线；谐振腔，谐振腔与槽线相连；截断边界单元，截断边界单元设置在两个辐射单元的槽线之间并轴向延伸；以及馈电单元。

根据Vivaldi天线的一个实施例，截断边界单元远离谐振腔的一端为远端，槽线在远端处形成的开口为Vivaldi天线的最小物理口径，Vivaldi天线的最小物理口径的最大尺寸与Vivaldi天线的最高工作频率对应的波长的比值为第一比值R1，R1满足以下范围：1/4≤R1≤2；Vivaldi天线的最大物理口径的最大尺寸与Vivaldi天线的最低工作频率对应的波长的比值为第二比值R2，R2满足以下范围：1/4≤R2≤2。

根据Vivaldi天线的一个实施例，R1满足以下范围：1/2≤R1≤1；R2满足以下范围：1/2≤R2≤1。

根据Vivaldi天线的一个实施例，R1等于R2。

根据Vivaldi天线的一个实施例，辐射单元还包括与槽线平滑连接的弧形线，弧形线向槽线的开口变窄的方向延伸，弧形线形成的最大开口为Vivaldi天线的最大物理口径。

根据Vivaldi天线的一个实施例，截断边界单元的一端与谐振腔相连。

根据Vivaldi天线的一个实施例，馈电单元采用差分馈电。

根据Vivaldi天线的一个实施例，Vivaldi天线设置在介质基板上，介质基板包括至少三层金属层，馈电单元设置在位于中间的金属层上。

根据本公开的实施例的第二方面，提供一种双极化天线，包括两个前述的Vivaldi天线。

根据本公开的实施例的第三方面，提供一种圆极化天线，包括两个前述的Vivaldi天线。

本公开的实施例中，通过在Vivaldi天线的槽线之间设置截断边界单元，减小了Vivaldi天线在宽带使用时不同频段之间电口径的差异，从而在宽带内实现了稳定的增益及波束宽度。

附图说明

图1是相关技术中的Vivaldi天线的示意图。

图2是本公开根据一个实施例示出的Vivaldi天线的示意图。

图3是本公开根据一个实施例示出的Vivaldi天线的示意图。

图4是本公开根据一个实施例示出的Vivaldi天线的示意图。

具体实施方式

以下参照附图描述本公开的实施例。应当理解，附图不是必须为等比例的。描述的实施例是示例性的，而非旨在限制本公开，可以以相同方式或类似方式与实施例的特征组合或替代这些特征。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

无线通信设备通过天线发射和接收电磁波，通信设备的无线收发性能也常常通过测试天线进行评估。在一些无线通信或无线测试的场景中，要求天线能够在较宽的频带内具有稳定的宽波束。

Vivaldi天线是一种平面结构天线，由逐渐张开的槽线构成辐射结构，具有优良的辐射特性以及较宽的使用频带，广泛应用在无线通信系统、相控阵雷达和射电天文等领域。参照图1，图1示意了相关技术中典型的Vivaldi天线。

相关技术中，天线的辐射(发射或接收)状态可以通过天线口径在一定程度上进行表征，包括几种不同的表征方式：物理口径，即天线辐射口的机械尺寸；有效口径，可以通过计算或测量得到；有效高度，将线天线的物理高度或长度乘以(归一化)平均电流得到；电口径，计算方式为物理口径的最大尺寸与某一特定频率的波长的比值，可以理解为，天线在该频率下的辐射特性与电口径的大小相关，具体而言，电口径的大小与天线增益正相关，与波束宽度的大小负相关。在图1所示的Vivaldi天线中，电磁波辐射的物理口径为槽线开口的最宽处L0，不同频率下的电磁波共用这个物理口径L0。对于天线而言，在相同的物理口径下，当电磁波的频率越高，波长越短，天线的电口径越大，即天线的增益越高，波束宽度越小；反之，当电磁波的频率越低，波长越长，天线的电口径越小，即天线的增益越低，波束宽度越大。以图1所示的Vivaldi天线为例，假设该天线的最低工作频率为1GHz，相关技术中，通常将Vivaldi天线设计为其电口径满足最低频率的半波长，即，图1所示的Vivaldi天线，在1GHz的电口径为1GHz对应的波长的1/2倍，根据电口径的计算方式，可以算出其物理口径的最大尺寸(即槽线开口的最宽处L0)为1GHz对应的波长的1/2倍。那么，可以计算得到，其在2GHz的电口径为2GHz对应的波长的1倍。也就是说，在不同的频段具有不同的电口径。当Vivaldi天线用于超宽频带时，由于不同频率的电口径不同，在宽频内的增益和波束宽度可能存在较大的差异，这将导致其应用受限，例如，在一些无线测量的使用场景下，要求天线在宽频内保持稳定的波束宽度。

鉴于此，本公开的一方面实施例提供了一种Vivaldi天线。参照图2，Vivaldi天线包括两个对称设置的辐射单元100，每个辐射单元100包括槽线101，槽线101例如可以为指数渐变形，两条槽线101形成了用于辐射的开口；谐振腔200，谐振腔200与槽线101相连；截断边界单元300，截断边界单元300设置在两个辐射单元100的槽线101之间并轴向延伸，这里的“轴”可以理解为两条槽线101的对称轴；以及馈电单元(图中未示出)。截断边界单元300的设置使Vivaldi天线在高频的物理口径由图1所示的L0处下移至图2所示的L1处，相当于减小了高频的电口径，从而减小了宽带范围内不同频段之间电口径的差异，从而在宽带内实现了相对稳定的增益及波束宽度。

在此对本实施例的Vivaldi天线中不同频率的电磁波的电口径进行说明。参照图2，截断边界单元300远离谐振腔200的一端为远端301，槽线101在远端301处形成的开口L1为最小物理口径，而Vivaldi天线在高频的电口径为此最小物理口径的最大尺寸与Vivaldi天线的最高工作频率对应的波长的比值，在此定义为第一比值R1。另一方面，槽线101的开口的最宽处L2为最大物理口径，而Vivaldi天线在低频的电口径为此最大物理口径的最大尺寸与Vivaldi天线的最低工作频率对应的波长的比值，在此定义为第二比值R2。可以理解的是，对于Vivaldi天线而言，最小物理口径的最大尺寸可以认为是开口L1处两条槽线101之间的距离，最大物理口径的最大尺寸可以认为是开口L2处两条槽线101之间的距离。

可选地，在一些实施例中，第一比值R1(即高频的电口径)和第二比值R2(即低频的电口径)分别满足以下范围：1/4≤R1≤2；1/4≤R2≤2。这将Vivaldi天线在较宽的工作频带内的电口径的差异限定在一定范围内。进一步地，在一些实施例中，上述第一比值R1和第二比值R2限定为：1/2≤R1≤1；1/2≤R2≤1。更进一步地，在一些实施例中，第一比值R1等于第二比值R2。需要说明的是，为了获得宽频内稳定的波束，天线在不同频段的电口径应尽量接近，理论上，第一比值R1和第二比值R2越接近，天线在不同频段之间的电口径差异越小，但实际上波束宽度还受到其他因素的影响，例如天线PCB板的介电常数(对于PCB板天线而言)、天线周围的环境(如吸波材料、馈电线缆上的共模电流、天线机械结构件)等，这些影响使得第一比值R1和第二比值R2相等时，电口径也可能并不相等，因此，可以根据天线精度要求以及上述因素的影响来调整第一比值R1和第二比值R2。

可选地，在一些实施例中，参照图3，辐射单元100还包括与槽线101平滑连接的弧形线102，弧形线102向槽线101的开口变窄的方向延伸(在图3中，槽线101的开口变窄的方向为向下)，弧形线102形成的最大开口L2′为最大物理口径。增设的弧形线102增加了电流的路径，相较于图2中的辐射单元结构，可以在较小的天线尺寸下实现较大的物理口径，以实现更低的工作频率。

需要说明的是，本实施例中，对截断边界单元的具体形状不做限定，可以根据具体的馈电需求和波束需求进行设计，例如可以包括宽度渐变的形状。此外，截断边界单元靠近谐振腔的一端可以向下延伸至谐振腔内，还可以进一步与谐振腔相连，参考图4，截断边界单元300靠近谐振腔200的一端302向下延伸至谐振腔200内并与谐振腔200相连为一体，此时的结构相当于形成了两个谐振腔200。可以理解的是，截断边界靠近谐振腔的一端的位置与天线的馈电位置相关，需要确保电流从馈电处流出后能够沿着截断边界单元传播。

在一些实施例中，Vivaldi天线的馈电单元采用差分馈电，即两个馈电单元的电流相位相差180°，以获得更好的辐射方向图。

在一些实施例中，Vivaldi天线设置在介质基板上，介质基板包括至少三层金属层，馈电单元设置在位于中间的金属层上，以形成屏蔽馈电。辐射单元位于馈电金属层之外的其他金属，两个辐射单元可以在相同的金属层，或在不同的金属层。

本公开的另一方面实施例提供了一种双极化天线，包括两个如前所述的Vivaldi天线。

本公开的另一方面实施例提供了一种圆极化天线，包括两个如前所述的Vivaldi天线，可以通过3dB电桥实现圆极化。

需要说明的是，本公开中的图均为简化的示意图，仅用于示意性地说明实施例中各部分之间的位置关系与连接关系，本公开的天线可能还可以包括其他常规结构，例如用于固定或支撑的部件或基质材料等。

以上描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施方式或示例中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种Vivaldi天线，其特征在于，包括：

两个对称设置的辐射单元，每个所述辐射单元包括形成开口的槽线；

谐振腔，所述谐振腔与所述槽线相连；

截断边界单元，所述截断边界单元设置在两个所述辐射单元的槽线之间并轴向延伸；以及

馈电单元。

2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：

所述截断边界单元远离所述谐振腔的一端为远端，所述槽线在所述远端处形成的开口为所述Vivaldi天线的最小物理口径，所述Vivaldi天线的最小物理口径的最大尺寸与所述Vivaldi天线的最高工作频率对应的波长的比值为第一比值R1，所述R1满足以下范围：1/4≤R1≤2；

所述Vivaldi天线的最大物理口径的最大尺寸与所述Vivaldi天线的最低工作频率对应的波长的比值为第二比值R2，所述R2满足以下范围：1/4≤R2≤2。

3.根据权利要求2所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述R1满足以下范围：1/2≤R1≤1；所述R2满足以下范围：1/2≤R2≤1。

4.根据权利要求2所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述R1等于所述R2。

5.根据权利要求2所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述辐射单元还包括与所述槽线平滑连接的弧形线，所述弧形线向所述槽线的开口变窄的方向延伸，所述弧形线形成的最大开口为所述Vivaldi天线的最大物理口径。

6.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述截断边界单元的一端与所述谐振腔相连。

7.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述馈电单元采用差分馈电。

8.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述Vivaldi天线设置在介质基板上，所述介质基板包括至少三层金属层，所述馈电单元设置在位于中间的所述金属层上。

9.一种双极化天线，其特征在于，包括两个根据权利要求1-8中任一所述的Vivaldi天线。

10.一种圆极化天线，其特征在于，包括两个根据权利要求1-8中任一所述的Vivaldi天线。

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