CN113054424A - 一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明申请涉及天线技术领域，公开了一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元相互交叉设置，第一天线单元和第二天线单元均包括两块相互平行设置的介质板，两块介质板之间夹设有馈电层，两块介质板相互远离的两侧均固定连接有辐射层，辐射层上均开设有开路腔，辐射层上开设有若干相互平行的缝隙以将辐射单元沿开路腔的对称轴方向划分为多个辐射部，相邻的辐射部之间均设置有用于连接各个辐射部的加载部，其中至少有一个辐射部上开设有辐射槽，通过加载电阻的和开设加载槽两种方式的结合，减小两个天线单元的端口驻波，提高隔离度，获得较小尺寸的天线。

Description

一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线。
背景技术
天线测量是通信系统中至关紧要的一环，快速有效的评估天线性能可以有效帮助项目的开发进程。单极化探头需要机械转动的方式来实现双极，测试效率低。双极化探头能有效提升测试效率但是对天线交叉极化和端口隔离度有较高的要求。金属化过孔设置于各层上需要连通的导线的交汇处，用于连通多层连线。
现有的vivaldi天线，由于其自身尺寸限制，低频的频率仍处在较高水平。
发明内容
本发明意在提供一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其具有天线尺寸小且能够拓宽低频频率的特点。
为达到上述目的，本发明的基本方案如下：
一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元各自包含对称轴，第一天线单元和第二天线单元相互交叉设置以使第一天线单元的对称轴与第二天线单元的对称轴同轴相互重叠，第一天线单元和第二天线单元均包括两块相互平行设置的介质板，两块介质板之间夹设有馈电层，两块介质板相互远离的两侧均固定连接有辐射层，介质板的边缘开设有若干第一金属化过孔以使两个辐射层电连接，辐射层上均开设有开路腔，开路腔沿对称轴对称设置，辐射层上开设有若干相互平行的缝隙以将辐射单元沿开路腔的对称轴方向划分为多个辐射部，相邻的辐射部之间均设置有用于连接各个辐射部的加载部，其中至少有一个辐射部上开设有辐射槽，辐射槽与辐射部平行于对称轴的侧边相连通。
进一步地，馈电层上设置有中间馈电线，两个辐射层中的任意一层上设置有馈线，馈线上固定连接有SMA接口，馈电层和辐射层上均开设有第二金属化过孔以使中间馈电线和馈线相连接。
进一步地，开路腔包括依次连接的圆形槽，矩形槽和渐变槽，渐变槽的边线形状为指数渐变线，圆形槽用于对中间馈电线进行阻抗匹配，矩形槽用于与中间馈电线相互耦合并传输电磁波，渐变槽用于导向空间辐射电磁波。
进一步地，多个辐射部沿圆形槽到渐变槽的方向依次包括第一辐射部，第二辐射部和第三辐射部，加载部包括第一加载电阻和第二加载电阻，第一加载电阻与第一辐射部和第二辐射部电连接，第二加载电阻与第二辐射部和第三辐射部电连接，第一加载电阻和第二加载电阻的阻值相同。
进一步地，辐射槽包括若干第一加载槽和若干第二加载槽，第一加载槽开设于第一辐射部上，第二加载槽开设于第二辐射部上。
进一步地，第一加载槽沿开路腔宽度方向的长度大于第二加载槽沿开路腔宽度方向上的长度，第一加载槽和第二加载槽的宽度均相等。
进一步地，第一天线单元的介质层上开设有第一连接槽，第二天线单元的介质层上开设有第二连接槽，第一连接槽的中心线与第一天线单元介质层的中心线相重合，第二连接槽的中心线与第二天线单元介质层的中心线相重合，第一天线单元和第二天线单元通过第一连接槽和第二连接槽插接。
进一步地，第一连接槽和第二连接槽沿开路腔的延伸方向的长度之和小于第一天线单元沿开路腔的延伸方向的长度以使第一天线单元的馈电层和第二天线单元的馈电层错开，第一天线单元和第二天线单元之间通过锡焊固定连接。
与现有技术相比本方案的有益效果是：
1、通过将辐射层沿开路腔的对称轴方向划分为多个辐射部，并在相邻的辐射部之间设置加载部，加载部用于匹配阻抗，减少电磁波的反射，改善天线在整个所需频段的驻波比，并且通过加载电阻的方式能够减小天线的整体尺寸；
2、通过在辐射层平行于开路腔对称轴的两侧边上均开设有若干辐射槽，改变了电流在辐射层上的分布，延长了电流在辐射层上的流动路径，增加天线的等效长度，从而减小天线的实际长度，并且由于低频的频率与天线的长度呈负相关，同等条件下，开设有辐射槽的天线能够达到更低频率，拓宽天线的带宽；
3、通过加载电阻的和开设加载槽两种方式的结合，减小两个天线单元的端口驻波，提高隔离度。
附图说明
图1为实施例的整体结构示意图；
图2为实施例中第一天线单元的结构示意图；
图3为实施例中第二天线单元的结构示意图；
图4为实施例中第一天线单元和第二天线单元的端口驻波；
图5为实施例中第一天线单元和第二天线单元的端口隔离度。
说明书附图中的附图标记包括：
1、第一天线单元；11、第一介质板；111、第一连接槽；2、第二天线单元；21、第二介质板；211、第二连接槽；31、上层金属板；32、中间金属板；33、下层金属板；41、第一辐射部；42、第二辐射部；43、第三辐射部；51、第一加载电阻；52、第二加载电阻；6、辐射槽；61、第一加载槽；62、第二加载槽；7、开路腔；71、圆形槽；72、矩形槽；73、渐变槽；8、馈线；81、中间馈电线。
具体实施方式
下面结合说明书附图，并通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例：
一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，如图1所示，所述第一天线单元1和第二天线单元2各自包含对称轴，所述第一天线单元1和第二天线单元2相互交叉设置以使第一天线单元1的对称轴与第二天线单元2的对称轴同轴相互重叠。
如图2所示，第一天线单元1包括两块相互平行设置的第一介质板11，两块第一介质板11均为PCB板，其中一块第一介质板11靠近另一第一介质板11的表面上印制有中间金属板32，中间金属板32为馈电层，两块第一介质板11相互远离的两侧面上分别印制有上层金属板31和下层金属板33，所述上层金属板31和下层金属板33均为辐射层，第一介质板11的边缘开设有若干第一金属化过孔以使上层金属板31和下层金属板33之间电连接，第一介质板11上从左到右开设有第一连接槽111，第一连接槽111的中心线与第一介质板11的对称轴相重合，第一连接槽111的宽度等于两块第二介质板21的厚度之和。
如图3所示，第二天线单元2包括两块相互平行设置的第二介质板21，两块第二介质板21均为PCB板，其中一块第二介质板21靠近另一第二介质板21的表面上印制有中间金属板32，中间金属板32为馈电层，两块第二介质板21相互远离的两侧面上分别印制有上层金属板31和下层金属板33，所述上层金属板31和下层金属板33均为辐射层，第二介质板21的边缘开设有若干第一金属化过孔以使上层金属板31和下层金属板33之间电连接，第二介质板21上从右到左开设有第二连接槽211，第二连接槽211的中心线与第二介质板21的对称轴相重合，第一连接槽211的宽度等于两块第一介质板11的厚度之和。
如图2和图3所示，上层金属板31上设置有馈线8，馈线8由上层金属板31的右侧边向左侧延伸，馈线8的轴线平行于第一天线单元1的对称轴，馈线8上固定连接有SMA接口，中间金属板32上均设置有中间馈电线81，中间金属板32和上层金属板31上均开设有第二金属化过孔以使中间馈电线81和馈线8相连接，中间馈电线81末尾利用了带状线转共面波导的形式。第一天线单元1和第二天线单元2通第二连接槽211与第一连接槽111插接，构成双极化天线。第一连接槽111和第二连接槽211沿开路腔7的延伸方向的长度之和小于第一天线单元1沿开路腔7延伸方向的长度，使得第一天线单元1和第二天线单元2的馈电层错开一定距离，避免第一天线单元1上的馈电层与第二天线单元2上的馈电层相互干扰，第一天线单元1和第二天线单元2的右侧通过锡焊固定连接。第一介质板11和第二介质板21的材质为FR4,其介电常数4.4，厚度为0.5mm，选用高介电常数的介质板能够用于匹配阻抗，减小天线的整体尺寸，但是过大的介电常数会减小天线的增益，当介电常数设置为4.4时能够在较小的天线的尺寸得到较大的效率。
如图2和图3所示，上层金属板31和下层金属板33上均开设有开路腔7，开路腔7分别沿第一天线单元1和第二天线单元2的对称轴对称，开路腔7用于传输并向外辐射电磁波，开路腔7包括依次连接的圆形槽71，矩形槽72和渐变槽73，渐变槽73的边线形状为指数渐变线，圆形槽71用于对中间馈电线81进行阻抗匹配，矩形槽72用于与中间馈电线81相互耦合并传输电磁波，渐变槽73用于导向电磁波向天线外辐射，以上层金属板31为例，在上层金属板31右侧边线的中点为原点，以右侧金属板的边线为x轴，上层金属板31的对称轴为y轴建立平面直角坐标系，指数渐变线的方程为：
Figure BDA0002978399770000051
Figure BDA0002978399770000052
其中，(x1,y1)，(x2,y2)分别为指数渐变线的起点和终点坐标，α反应指数渐变线的变化率，当y较小时，电磁能量被束缚在上层金属板31和下层金属板33之间，当y较大时，指数渐变线使电磁能量辐射至自由空间内，第一天线单元1和第二天线单元2的横向尺寸为60mm，纵向尺寸150mm。
如图2和图3所示，上层金属板31和下层金属板33上开设有两个相互平行的缝隙以使辐射单元沿开路腔7的对称轴方向划分为三个辐射部，两个缝隙的位置分别设置于x＝94mm和x＝122mm处，三个辐射部沿圆形槽71到渐变槽73的方向依次包括第一辐射部41，第二辐射部42和第三辐射部43，此时第二加载部42和第三加载部43的形状近似为直角梯形，第二加载部42和第三加载部43远离直条的斜边为指数渐变线上的一段，且两个直角梯形的高均相等。
相邻的辐射部之间均设置有加载部，加载部包括第一加载电阻51和第二加载电阻52，第一加载电阻51与第一辐射部41和第二辐射部42电连接，第二加载电阻52与第二辐射部42和第三辐射部43电连接，第一加载电阻51和第二加载电阻52的阻值会同时影响到天线的尺寸以及天线的输出功率，第一加载电阻51和第二加载电阻52的阻值相同且均设置为100欧姆，在获得较大的天线输出功率的同时也能够获得较小的天线尺寸和较宽的带宽。
如图2和图3所示，第一辐射部41在其上下两条边线上均开设有三个相互平行的第一加载槽61，第一加载槽61与第一辐射部41平行于第一天线单元1对称轴的侧边相连通，第一加载槽61相对的两条边线均垂直于y轴，第二辐射部42在其上下两条边线上均开设有两个第二加载槽62，第二加载槽62与第2辐射部42平行于第一天线单元1对称轴的侧边相连通，第二加载槽62的相对的两条边线均垂直于y轴，第一加载槽61和第二加载槽62均为矩形槽。第一加载槽61和加载槽62能够使电流集中在渐变槽73附近，电流较强时遇到不连续的边界条件会产生较强的辐射，电流在第一加载槽61和第二加载槽62处产生强烈的缝隙耦合，缝隙在把能量向上耦合，从而展宽天线的波束宽度，使得天线单元具备宽工作频段。电流沿渐变槽73流动时，使工作频率向低频偏移且能够降低低频时的回波损耗，提高天线的阻抗匹配效果。第一加载槽61的宽度为3mm，沿开路腔7宽度方向的长度为16mm，第二加载槽62的宽度为3mm，沿开路腔7宽度方向的长度为13mm。第一加载槽61的长度大于第二加载槽62的长度，此时第一加载槽61到渐变槽73的平均距离与第二加载槽62到渐变槽73的平均距离大小相近，能量沿渐变槽73的边线分布相对均匀。为了使渐变槽73开口较宽处的能量尽可能保持原有分布，即为了使第三辐射部43上的电磁能量尽可能保持原有状态，促进能量向空间辐射，因此没有在第三辐射部43上开设辐射槽7。
如图4所示，第一天线单元1和第二天线单元2的端口在0.4-0.7GHz频段内驻波低于3，在0.7-7.2GHz天线驻波低于2，实现了18倍频的带宽。图5为双极化天线的两个端口的隔离度，在整个关心频段内，端口隔离度大于30dB。
本方案具体实施方式如下：
工作时，电流沿馈线8和中间馈电线81耦合到上层金属板31和下层金属板33上，并沿渐变槽73开口方向传播，由开路腔7的边缘上分布的电流所产生的电场沿指数渐变线一边向前传播一边进行辐射，电流在经过第一加载槽61和第二加载槽62时，等效流动路径加长，因此在相同的天线长度内能够获得频率更低的电磁波，降低低频的频率，拓宽带宽，并且第一加载槽61和第二加载槽62的存在，使得电流向靠近开路腔7的位置聚集，增大电流强度的同时增强辐射强度。并通过加载电阻的方式，进一步减小天线的尺寸，并且减小两个端口的天线驻波，提高隔离度。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和发明的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：包括第一天线单元(1)和第二天线单元(2)，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)各自包含对称轴，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)相互交叉设置以使第一天线单元(1)的对称轴与第二天线单元(2)的对称轴同轴相互重叠，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)均包括两块相互平行设置的介质板，两块所述介质板之间夹设有馈电层，两块所述介质板相互远离的两侧均固定连接有辐射层，所述介质板的边缘开设有若干第一金属化过孔以使两个辐射层电连接，所述辐射层上均开设有开路腔(7)，所述开路腔(7)沿对称轴对称设置，所述辐射层上开设有若干相互平行的缝隙以将辐射单元沿开路腔(7)的对称轴方向划分为多个辐射部，相邻的所述辐射部之间均设置有用于连接各个辐射部的加载部，其中至少有一个辐射部上开设有辐射槽，所述辐射槽与辐射部平行于对称轴的侧边相连通。
2.根据权利要求1所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述馈电层上设置有中间馈电线(81)，两个辐射层中的任意一层上设置有馈线(8)，所述馈线(8)上固定连接有SMA接口，所述馈电层和辐射层上均开设有第二金属化过孔以使中间馈电线(81)和馈线(8)相连接。
3.根据权利要求2所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述开路腔(7)包括依次连接的圆形槽(71)，矩形槽(72)和渐变槽(73)，所述渐变槽(73)的边线形状为指数渐变线，所述圆形槽(71)用于对中间馈电线(81)进行阻抗匹配，所述矩形槽(72)用于与中间馈电线(81)相互耦合并传输电磁波，所述渐变槽(73)用于导向空间辐射电磁波。
4.根据权利要求1所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：多个所述辐射部沿圆形槽(71)到渐变槽(73)的方向依次包括第一辐射部(41)，第二辐射部(42)和第三辐射部(43)，所述加载部包括第一加载电阻(51)和第二加载电阻(52)，所述第一加载电阻(51)与第一辐射部(41)和第二辐射部(42)电连接，所述第二加载电阻(52)与第二辐射部(42)和第三辐射部(43)电连接，所述第一加载电阻(51)和第二加载电阻(52)的阻值相同。
5.根据权利要求4所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述辐射槽(6)包括若干第一加载槽(61)和若干第二加载槽(62)，所述第一加载槽(61)开设于第一辐射部(41)上，所述第二加载槽(62)开设于第二辐射部(42)上。
6.根据权利要求5所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述第一加载槽(61)沿开路腔(7)宽度方向的长度大于第二加载槽(62)沿开路腔(7)宽度方向上的长度，所述第一加载槽(61)和第二加载槽(62)的宽度均相等。
7.根据权利要求1所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述第一天线单元(1)的介质层上开设有第一连接槽(111)，所述第二天线单元(2)的介质层上开设有第二连接槽(211)，所述第一连接槽(111)的中心线与第一天线单元(1)介质层的中心线相重合，所述第二连接槽(211)的中心线与第二天线单元(2)介质层的中心线相重合，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)通过所述第一连接槽(111)和第二连接槽(211)插接。
8.根据权利要求7所述的用于探头的低频超宽带的小型化Vivaldi天线，其特征在于：所述第一连接槽(111)和第二连接槽(211)沿开路腔(7)的延伸方向的长度之和小于第一天线单元(1)沿开路腔(7)的延伸方向的长度以使第一天线单元(1)的馈电层和第二天线单元(2)的馈电层错开，所述第一天线单元(1)和第二天线单元(2)之间通过锡焊固定连接。
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