CN113471688B - 一种渐变槽线加载的双频天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域,尤其涉及一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:至少包括:介质板(1)、低频辐射结构(2)、低频馈电结构(3)、高频辐射结构(4)、高频馈电结构(5);所述的介质板(1)是双层PCB板,低频辐射结构(2)、低频馈电结构(3)、高频辐射结构(4)、高频馈电结构(5)刻蚀在双层PCB板上下金属层上,其中介质板(1)为方型结构,低频辐射结构(2)在介质板(1)中间从上到下以指数渐变槽线构成。它以便解决天线在高频处能够作为天线辐射,实现双频天线的问题,解决双频天线实现高低频独立调节。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,尤其涉及一种渐变槽线加载的双频天线。
背景技术
目前,业内常用的现有技术是这样的:Vivaldi天线因具有超宽带,高增益,稳定的辐射特性在天线领域有着广泛的应用。但是,能够在不增加传统Vivaldi天线的大小情况下实现同时工作在微波与毫米波段的双频vivaldi天线方面的研究较为欠缺。常用于提升传统Vivaldi天线增益的形式是在辐射臂边缘处开矩形槽线。如果能将矩形槽线做一定的改进在高频处可以作为天线辐射,将大大扩展Vivaldi天线的辐射性能。目前,利用改变矩形槽线的形式来设计双频天线的研究较少。同时在毫米波段损耗较大的问题导致增益较低的问题也需要解决。
综上所述,现有技术存在的问题是:常用的矩形槽线虽然能提升传统Vivaldi的增益,但如何将矩形槽线进一步改进使得它在高频处能够作为天线辐射从而实现双频天线是拟解决的关键问题。以及这种加载改进型槽线的双频天线如何实现高低频独立调节也是设计的重点。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种渐变槽线加载的双频天线,以便解决天线在高频处能够作为天线辐射,实现双频天线的问题,解决双频天线实现高低频独立调节。
本发明是这样实现的,一种渐变槽线加载的双频天线,至少包括:介质板、低频辐射结构、低频馈电结构、高频辐射结构、高频馈电结构;所述的介质板是双层PCB板,低频辐射结构、低频馈电结构、高频辐射结构、高频馈电结构刻蚀在双层PCB板上下金属层上,其中介质板为方型结构,低频辐射结构在介质板中间从上到下以指数渐变槽线构成,指数渐变槽线的展开线介质板的上端,由指数渐变槽线将介质板虚拟分割成左右结构,介质板上层金属左上和右上分别刻蚀高频辐射结构,高频辐射结构由四元指数渐变槽线组成;在介质板的下层金属左右四元指数渐变槽线底部分别刻蚀高频馈电结构;在介质板上层金属,左右指数渐变槽线底部汇合处刻蚀直径为M的圆,M是圆形谐振腔的直径;在介质板下层金属直径为M的圆上端刻蚀低频馈电结构。
所述的高频馈电结构由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节在一个水平线上,其间隔相同,四个小扇形枝节其中左侧三个之间通过微带线连接,相邻两个小扇形枝节通过微带线连接在一起,最后在通过微带线将两个连接在一起微带线连接引出。
所述的双层PCB板高度b为90mm,长度d为110mm。
所述的低频馈电结构包括:微带线、扇形枝节、指数渐变槽线末端直径为M的圆构成,直径为M的圆直径为8MM,微带线从介质板中心线靠左侧底部垂直向上在以90度向中心线侧转折跨过指数渐变槽线到扇形面中心处,微带线末端是扇形的枝节,扇形面的半径Rr1为10mm,扇形面的半径Rr1中心在指数渐变槽线上,低频馈电结构由微带到槽线的转化器实现,微带线末端是扇形的枝节,能够起到阻抗匹配的效果。
所述的四元指数渐变槽线的4根槽线深度L3=20mm。
所述的四元指数渐变槽线的开口宽度L1是3mm,间隔P1是2.6mm。
所述的低频辐射结构在介质板中间从上到下以指数渐变槽线曲率Re为0.09。
所述的指数渐变槽线末端开口宽度W是60mm,这也是左右高频辐射结构之间间隔。
所述的高频馈电结构由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节分别通过微带线连引出。
所述的高频馈电结构在介质板底层,两组高频馈电结构以介质板中心线形成左右对称结构。
本发明基于渐变槽线加载,实现同时工作在微波频段与毫米波频段的双频天线。利用大口径渐变槽线实现低频微波辐射,利用小口径渐变槽线实现高频毫米波辐射。小口径渐变槽线的作用有两方面,一方面是在低频时可以提升增益,另一方面是在高频时可以用作天线辐射。从仿真结果分析,小口径渐变槽线的长度L1变化时,高频毫米波天线性能基本保持不变,低频微波天线性能变化明显;当小口径槽线宽度L3变化时,高频毫米波天线性能变化明显,低频微波天线性能基本保持不变。综上所述,槽线长度L1可以用来调试高频,槽线宽度L3可以用来调试低频,双频天线的高低频可以独立调节,因此该天线可以适用于任意微波毫米波段组合的双频天线。为了对本发明进行进一步详细说明,设计一款工作在3-8GHz,34-36GHz的双频天线,低频时与未加槽线的传统Vivaldi相比,增益提升1dB左右;高频时增益达到12.5dB以上。该双频天线具有结构简单,质量轻和易加工等特点,在双频天线领域有着广阔的应用前景。
与现有技术相比,本发明的优势是:
1、本发明利用指数渐变槽线结构实现毫米波频段的辐射。将原本用于提升Vivaldi增益的槽线设计成有辐射作用的天线,极大地拓展了Vivaldi天线的应用范围,拓展了双频天线的类型。
2、本发明利用指数渐边槽线结构实现高低频的独立调节。其中渐变槽线的长度可以用来调试低频,渐变槽线的宽度可以用来调试高频,高低频可以独立调节,因此该天线可以适用于任意微波毫米波段组合的双频天线。
3、本发明利用指数渐变槽线结构能够实现比传统Vivaldi更高的增益。低频时,与传统Vivaldi相比增益提升1.5dB左右。高频时能够实现12.5dB以上增益。主波瓣方向不会随着频率改变而改变,能够实现端射方向图,在各个频点下,都可以实现良好的定向特性。
4、本发明结构简单,加工方便,成本低,重量轻。本发明的双频天线均覆盖介质板的表面,能够在微波电路中良好集成。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的基于指数渐变槽线天线结构示意图;
图2A是双频天线在低频处的S11的长度变化的示意图;
图2B双频天线增益随渐变槽线的长度变化的示意图;
图3A是本发明实施例提供的双频天线在低频处的S11渐变槽线宽度变化的示意图;
图3B是双频天线在低频处的增益随着渐变槽线宽度变化的示意图;
图4A是本发明实施例提供的双频天线在高频处的S11随着渐变槽线长度变化的示意图;
图4B是双频天线在高频处的增益随着渐变槽线长度变化的示意图;
图5A是本发明实施例提供的双频天线在高频处的S11随着渐变槽线宽度变化的示意图;
图5B是双频天线在高频处增益随着渐变槽线宽度变化的示意图;
图6是本发明实施例提供的双频天线低频的S参数的结果示意图;
图7是本发明实施例提供的双频天线低频时加槽线与未加槽线的增益对比的结果示意图;
图8是本发明实施例提供的双频天线的高频S参数的结果示意图;
图9是本发明实施例提供的双频天线的高频增益的结果示意图;
图10是本发明实施例提供的双频天线不同频点的辐射方向图;
图11本发明实施例2提供的基于指数渐变槽线天线结构示意图。
图中:1、介质板;2、低频辐射结构;3、低频馈电结构;4、高频辐射结构;5.高频馈电结构;6、介质板中心线;7、直径为M的圆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述:
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。
本发明通过在Vivaldi天线地板边缘处加渐变槽线结构能够实现工作在微波和毫米波的双频天线。本发明利用渐变槽线结构作为辐射天线,能够在微波频段提高增益,在毫米波段产生辐射。本发明利用渐变槽线结构实现双频天线,该天线的高低频可以实现独立调节。
实施例1
如图1所示,一种渐变槽线加载的双频天线,至少包括:介质板1、低频辐射结构2、低频馈电结构3、高频辐射结构4、高频馈电结构5;所述的介质板1是双层PCB板,低频辐射结构2、低频馈电结构3、高频辐射结构4、高频馈电结构5刻蚀在双层PCB板上下金属层上,其中介质板1为方型结构,低频辐射结构2在介质板1中间从上到下以指数渐变槽线构成,指数渐变槽线的展开线介质板1的上端,由指数渐变槽线将介质板1虚拟分割成左右结构,介质板1上层金属左上和右上分别刻蚀高频辐射结构4,高频辐射结构4由四元指数渐变槽线组成;在介质板1的下层金属左右四元指数渐变槽线底部分别刻蚀高频馈电结构5;在介质板1上层金属,左右指数渐变槽线底部汇合处刻蚀直径为M的圆7,直径为M的圆7直径为8MM,M是圆形谐振腔的直径。
所述的高频馈电结构5由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板1内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节在一个水平线上,其间隔相同,四个小扇形枝节其中左侧三个之间通过微带线连接,相邻两个小扇形枝节通过微带线连接在一起,最后在通过微带线将两个连接在一起微带线连接引出。所述的高频馈电结构5在介质板1底层,两组高频馈电结构5以介质板1中心线形成左右对称结构。
在介质板1下层金属直径为M的圆上端刻蚀低频馈电结构3。
所述的双层PCB板高度b为90mm,长度d为110mm。
所述的低频馈电结构3包括:微带线、扇形枝节、指数渐变槽线末端直径为M的圆构成,微带线从介质板1中心线6靠左侧底部垂直向上在以90度向中心线侧转折跨过指数渐变槽线到扇形面中心处,微带线末端是扇形的枝节,扇形面的半径Rr1为10mm,扇形面的半径Rr1中心在指数渐变槽线上,低频馈电结构3由微带到槽线的转化器实现。微带线末端是扇形的枝节,能够起到阻抗匹配的效果。
所述的四元指数渐变槽线的4根槽线深度L3=20mm,四元指数渐变槽线(小口径渐变槽线)的开口宽度L1是3mm,间隔P1是2.6mm。
低频辐射结构2在介质板1中间从上到下以指数渐变槽线曲率Re为0.09。指数渐变槽线末端开口宽度W是60mm,这也是左右高频辐射结构4之间间隔。
本发明渐变槽线加载的双频Vivaldi天线参数有:W,P1,L1,L3,M,d,b,Rr1,Rr2。
图2A和图2B所示,是本发明图2A中双频天线低频时S11和图2B增益曲线随着槽线长度的变化情况。可以看出当槽线长度变化时,S11在频带范围内的变化趋势基本保持一致,增益在工作频带内有较大变化,L3越长增益开始提升的频段越向低频移动。综上所述,槽线长度对低频天线性能影响较大。
图3A和图3B是本发明中双频天线低频时S11和增益曲线随着槽线宽度的变化情况。可以看出当槽线长度变化时,S11和增益在频带范围内的变化趋势基本保持一致,因此槽线长度对低频天线性能影响不大。
图4是本发明中双频天线高频时S11和增益曲线随着槽线长度的变化情况。可以看出当槽线长度变化时,可以看出当槽线长度变化时,S11和增益在频带范围内的变化趋势基本保持一致,因此槽线长度对高频天线性能影响不大。
图5是本发明中双频天线高频时S11和增益曲线随着槽线宽度的变化情况。可以看出当槽线宽度变化时,高频Vivaldi天线的S11的谐振点位置和带宽有明显变化。当槽线宽度改变时天线增益在整个频带范围内都有较明显的变化。综上所述,槽线宽度对高频天线性能影响较大。
图6给出了本发明涉及的天线的低频S参数的结果。结果表明,天线能够实现较好的低频阻抗特性。
图7给出了本发明涉及的天线低频增益与未加槽线的增益对比。结果表明,该天线增益能够提升1dB左右。
图8给出了本发明涉及的天线的高频S参数的结果。结果表明,天线能够实现较好的高频阻抗特性。
图9给出了本发明涉及的天线的高频增益的结果。结果表明,天线在高频范围内能够实现12.5dB以上的高增益。
图10给出了本发明在工作频带内不同频点处的辐射方向图。图10(a)是在4GHz工作频带内E面和H面不同频点处的辐射方向图;
图10(b)是在6GHz工作频带内E面和H面不同频点处的辐射方向图;图10(c)是在34GHz工作频带内E面和H面不同频点处的辐射方向图,可以看出,天线的辐射方向图有低的交叉极化和较宽的辐射波束。在整个频率内可以实现连续的端射特性,本发明基于理论分析在3-8GHz和34-36GHz实现双频Vivaldi天线。
实施例2
所述的高频馈电结构5由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板1内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节分别通过微带线连引出。所述的高频馈电结构5在介质板1底层,两组高频馈电结构5以介质板1中心线6形成左右对称结构。
证明部分(具体实施例/实验/仿真/药理学分析/能够证明本发明创造性的正面实验数据、证据材料、鉴定报告、商业数据、研发证据、商业合作证据等)
本发明设计了一款高低频组合的双频Vivaldi。高低频组合的天线主要用在毫米波和微波同时需要的系统里,比如5G通信中有微波频段的sub6G。设计思想主要利用渐变槽线加载,在典型Vivaldi口径处引入小口径Vivaldi槽线,低频主要依靠典型Vivaldi天线的大口径槽线辐射,高频时依靠小口径Vivaldi槽线辐射。小口径Vivaldi槽线的作用有两方面:1、低频时在典型Vivaldi的口径处开小口径槽线可以用来提升典型Vivaldi的增益。2、高频时小口径Vivaldi槽线可以作为天线单独辐射。根据这一设计思想实现一款高低频组合的双频Vivaldi天线。同时研究小口径Vivaldi槽线结构的宽度、长度、槽线间隔等对高低频性能的影响,研究结果表明,槽线的长度主要影响低频性能,槽线的宽度主要影响高频性能。因此高低频可以独立调节,本发明天线结构可以适用于任意微波毫米波段组合的双频天线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:至少包括:介质板(1)、低频辐射结构(2)、低频馈电结构(3)、高频辐射结构(4)、高频馈电结构(5);所述的介质板(1)是双层PCB板,低频辐射结构(2)、低频馈电结构(3)、高频辐射结构(4)、高频馈电结构(5)刻蚀在双层PCB板上下金属层上,其中介质板(1)为方型结构,低频辐射结构(2)在介质板(1)中间从上到下以指数渐变槽线构成,低频辐射结构(2)的指数渐变槽线的展开线位于介质板(1)的上端,由低频辐射结构(2)的指数渐变槽线将介质板(1)虚拟分割成左右结构,介质板(1)上层金属左上和右上分别刻蚀高频辐射结构(4),高频辐射结构(4)由四元指数渐变槽线组成;在介质板(1)的下层金属左右四元指数渐变槽线底部分别刻蚀高频馈电结构(5);在介质板(1)上层金属低频辐射结构(2)的左右指数渐变槽线底部汇合处刻蚀直径为M的圆,M是圆形谐振腔的直径;在介质板(1)下层金属对应于直径为M的圆上端的位置处刻蚀低频馈电结构(3)。
2.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的高频馈电结构(5)由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板(1)内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节在一个水平线上,其间隔相同,四个小扇形枝节其中左侧三个之间通过微带线连接,相邻两个小扇形枝节通过微带线连接在一起,最后再通过微带线将两个连接在一起微带线连接引出。
3.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的双层PCB板高度b为90mm,长度d为110mm。
4.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的低频馈电结构(3)包括:微带线、扇形枝节、指数渐变槽线末端直径为M的圆构成,直径为M的圆直径为8MM,微带线从介质板(1)中心线(6)靠左侧底部垂直向上在以90度向中心线侧转折跨过指数渐变槽线到扇形面中心处,微带线末端是扇形的枝节,扇形面的半径Rr1为10mm,扇形面的半径Rr1中心在指数渐变槽线上,低频馈电结构(3)由微带到槽线的转化器实现,微带线末端是扇形的枝节,能够起到阻抗匹配的效果。
5.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的四元指数渐变槽线的4根槽线深度L3=20mm。
6.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的四元指数渐变槽线的开口宽度L1是3mm,间隔P1是2.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的低频辐射结构(2)在介质板(1)中间从上到下以指数渐变槽线曲率Re为0.09。
8.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的低频辐射结构(2)的指数渐变槽线末端开口宽度W是60mm,这也是左右高频辐射结构(4)之间间隔。
9.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的高频馈电结构(5)由四个小扇形枝节通过微带线连接构成,四个小扇形枝节其中三个间隔分布在四元指数渐变槽线的间隔之间,另一个在介质板(1)内侧四元指数渐变槽线一侧,四个小扇形枝节分别通过微带线连引出。
10.根据权利要求1所述的一种渐变槽线加载的双频天线,其特征是:所述的高频馈电结构(5)在介质板(1)底层,两组高频馈电结构(5)以介质板中心线(6)形成左右对称结构。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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