CN113363704A - 一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线、控制方法及应用，天线第一单元与天线第二单元开槽交叉放置，天线第一单元和天线第二单元分别设置有介质板，介质板设置有上、下两层介质板。本发明在上下层介质板中间采用T型带状功分器进行馈电，通过辐射槽将天线能量等幅平均分配出去，提高了天线的电气性能。在天线顶部加载电阻，可以在保证天线小尺寸的前提下，将天线在低频处的截止频率适当降低，且改善了低频处的驻波匹配情况。在天线馈电点输入端根据匹配状况加入了匹配电路，匹配电路的加入有效的改善了驻波的匹配状况，优化了天线性能。

Description

一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线及应用
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线及应用。
背景技术
目前，随着日益增长的数据需求，更大数据容量的设备被不断地创造出来，天线作为整个通信系统中的核心部件，朝着超宽带，小型化发展已经成为了当下十分重要的方向。Vivaldi作为一种非频变天线，它的工作带宽较宽，方向图对称性极好以及定向性强。同时由于Vivaldi天线结构简单且具有对称性，将其交叉放置后，便可以实现隔离度较高的双极化天线。因此超宽带双极化Vivaldi天线的研究有着很重大的意义。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)由于部分工作于通信系统的天线频率较低，工作波长较长，所以对应的天线体积偏大，不能满足特定工作环境天线的要求。
(2)传统单面Vivaldi天线虽然可以实现较宽的阻抗带宽，但在工作频段内存在方向图畸变现象。
解决以上问题及缺陷的难度为：在保证较宽阻抗带宽的同时，天线的尺寸不能过大，这就限制了此天线的增益性能不会太优越。
解决以上问题及缺陷的意义为：为满足设备集成度高成本低的要求，又要满足较宽的阻抗带宽，超宽带天线尺寸的小型化有着较为重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线及应用。本发明为一种0.4-4GHz的超宽带双槽双极化Vivaldi天线，此天线在满足超宽的阻抗带宽的前提下，依旧具备Vivaldi天线原本的方向图对称及定向性强的特性。在整个天线工作频段内，天线的驻波匹配状况良好，驻波比小于2，天线的端口隔离度较好。
本发明是这样实现的，一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线，所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线设置有天线第一单元和天线第二单元；天线第一单元与天线第二单元开槽交叉放置。
进一步，所述天线第一单元和天线第二单元分别设置有介质板，介质板设置有上、下两层介质板；
上层介质板上设置有天线的谐振腔、辐射槽缝、小型化加载电阻、辐射臂加载槽缝。
进一步，所述上、下两层介质板材料及尺寸相同。
进一步，所述上层介质板上设置有上层介质板的金属辐射面，下层介质板下表面设置有下层介质板的辐射面。
进一步，所述上、下层介质板的中间位置设置有带状线转换，微带线-带状线转换为整体天线的馈线部分。
进一步，所述天线第一单元和天线第二单元在给每个天线单元顶部加载小型化加载电阻。
进一步，所述金属辐射槽设有第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽，第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽位于天线辐射面的左右两侧对称的加载等距且长度递增。
进一步，所述上层介质板中的上层辐射金属面中蚀刻出一大小合适的矩形槽进行微带线的馈电，并加入一段匹配电路。
进一步，所述上层介质板上设置有天线输入端口匹配电路、天线第一单元介质板槽缝。
进一步，所述介质板中间位置设置有带状线功分器和圆形开路耦合腔腔。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备，所述无线通信设备安装有所述的超宽带双槽双极化Vivaldi天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了0.4-4GHz超宽带双面双槽Vivaldi，包括上、下俩层介质板、上下俩层金属辐射面和馈线部分。其中，顶层辐射面设置于介质板上表面，底层辐射面设置于介质板的下表面，馈线部分由位于上层介质板的微带线和介质板中间的带状线功分器而成。双槽的馈电结构减小了不平衡馈电的问题，将天线的端口能量平均分配到俩馈电处使天线在不同极化时幅度相位一致，具有较高的隔离度。同时在天线的顶端加载电阻，不改变尺寸的情况下有效改善低频匹配情况。
同时本发明还具有以下优点：在上下层介质板中间采用T型带状功分器进行馈电，通过辐射槽将天线能量等幅平均分配出去，提高了天线的电气性能。在天线顶部加载电阻，可以在保证天线小尺寸的前提下，将天线在低频处的截止频率适当降低，且改善了低频处的驻波匹配情况。在天线馈电点输入端根据匹配状况加入了匹配电路，匹配电路的加入有效的改善了驻波的匹配状况，优化了天线性能。
本发明通过在天线顶端加载电阻的方法，可以在保持天线小尺寸的前提下，有效的改善天线低频处的驻波匹配情况。本发明通过分别在上下俩层金属辐射面的左右俩侧对称的加载等距且相同尺寸的矩形槽，可以有效改善天线由于馈电部分左右结构不对称引起的表面电场分布不均匀的问题，同时还可以适当的展宽天线的工作带宽。
本发明通过在天线介质板开交错位置的上、下俩槽可以将俩天线交叉放置，得到双极化Vivaldi天线。此时，Vivaldi天线的结构以及特性并没有破坏，所以双极化天线有更平坦更稳定的方向图，且在整个频段内，天线的增益有所增高。同时天线还具有较高的隔离度，天线性能十分优越。
本发明通过将双面单槽的Vivaldi并联馈电得到双面双槽的Vivaldi天线。双金属辐射面可将天线谐振圆腔处的能量沿着金属面最大幅度的有效辐射出去，进一步拓宽了天线的工作带宽，使得天线的性能更加优越。双馈电双槽形式可以弥补天线在某些频点处方向图的缺陷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超宽带双槽双极化Vivaldi天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的天线一单元的立体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的天线一单元的上层金属辐射层的示意图。
图4是本发明实施例提供的天线一单元的介质板中间馈线的示意图。
图5是本发明实施例提供的天线一单元的下层金属辐射层的示意图。
图6是本发明实施例提供的天线俩端口的驻波示意图。
图7是本发明实施例提供的天线俩端口之间隔离度仿真结果示意图。
图中：1、天线第一单元；2、天线第二单元；3、天线的谐振腔；4、圆形开路耦合腔5、辐射槽缝；6、小型化加载电阻；7、小型化加载电阻；8、辐射臂加载槽缝；9、天线输入端口匹配电路；10、天线第一单元介质板槽缝；11、带状线功分器；12、带状线功分器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的超宽带双槽双极化Vivaldi天线业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的超宽带双槽双极化Vivaldi天线仅仅是一个具体实施例而已。
如图1-图5所示，本发明实施例提供的超宽带双槽双极化Vivaldi天线设置有天线第一单元1和天线第二单元2，天线第一单元1与天线第二单元2开槽交叉放置。
天线第一单元1和天线第二单元2分别设置有上、下两层介质板，上层介质板上设置有天线的谐振腔3、辐射槽缝5、小型化加载电阻6、7辐射臂加载槽缝8；上层介质板上设置有天线输入端口匹配电路9。
上、下两层介质板有相同的材料及相同的尺寸；上层介质板的金属辐射面位于介质板的上表面，下层介质板的辐射面位于介质板的下表面；其中，天线从第一输入端口和第二输入端口进行馈电，经过微带线将能量传输到带状线功分器11、12，功分器将能量平均分配到天线辐射单元的谐振腔3，然后谐振腔将能量耦合到辐射槽缝5，槽缝沿着金属辐射面将谐振腔的能量传输至天线辐射末端。本发明实施例提供的超宽带双槽双极化Vivaldi天线整体尺寸为78mm×175mm，选用的介质板是介电常数为4.4，厚度为2mm的FR4。
如图2所示，本发明实施例中天线第一单元1和天线第二单元2在给每个天线单元顶部加载小型化加载电阻6、7，可以有效的将截止频率向更低频拓展，改善低频的匹配情况。在天线辐射面的左右俩侧对称的加载等距且长度递增的第一矩形槽81、第二矩形槽82、第三矩形槽83，第一矩形槽81、第二矩形槽82、第三矩形槽83设置在辐射面上，可以提高天线的带宽，适当弥补方向图凹陷的问题。
如图3所示，本发明实施例中在上层介质板中的上层辐射金属面中蚀刻出一大小合适的矩形槽进行微带线的馈电，为了提高天线在频段内的电气性能，经过调试后加入了一段匹配电路9。
如图4所示，本发明实施例中两层介质板中间的馈电部分是T形带状功分器，天线端口处的能量经过微带线-带状线的转换，然后由带状线T型功分器将能量平均分配到带状线与辐射槽线处，最后俩处槽线的能量耦合到天线的辐射末端进而形成有效辐射。
本发明的工作原理为：天线并联状态下存在两个馈电点，所以采用带状线功分器进行同时馈电。天线端口处的能量经过微带线-带状线的转换，然后由带状线T型功分器将能量平均分配到带状线与辐射槽线处，最后俩处槽线的能量耦合到天线的辐射末端进而形成有效辐射。
下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图6所示，给出了双极化天线俩个端口在整个频段内的驻波结果。在整个频段内天线驻波比一直低于2，匹配情况较好。
如图7所示，给出了双极化天线俩个端口的端口隔离度。在整个频段内隔离度整体高于35dB，在个别频点隔离度可以达到60dB.
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线设置有：
天线第一单元和天线第二单元；
天线第一单元与天线第二单元开槽交叉放置。
2.权利要求1所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述天线第一单元和天线第二单元分别设置有介质板，介质板设置有上、下两层介质板；
上层介质板上设置有天线的谐振腔、辐射槽缝、小型化加载电阻、辐射臂加载槽缝。
3.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述上、下两层介质板材料及尺寸相同。
4.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述上层介质板上设置有上层介质板的金属辐射面，下层介质板下表面设置有下层介质板的辐射面。
5.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述上、下层介质板的中间位置设置有带状线转换，微带线-带状线转换为整体天线的馈线部分。
6.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述天线第一单元和天线第二单元在给每个天线单元顶部加载小型化加载电阻。
7.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述金属辐射面上设置有第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽，第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽位于天线辐射面的左右两侧对称的加载等距且长度递增。
8.权利要求2所述超宽带双槽双极化Vivaldi天线，其特征在于，所述上层介质板中的上层辐射金属面中蚀刻出一大小合适的矩形槽进行微带线的馈电，并加入一段匹配电路；
所述上层介质板上设置有天线输入端口匹配电路、天线第一单元介质板槽缝；
所述介质板中间位置设置有带状线功分器和圆形开路耦合腔。
9.一种无线通信设备，其特征在于，所述无线通信设备安装有权利要求1～8任意一项所述的超宽带双槽双极化Vivaldi天线。
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