CN113571890A - 一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线。包括天线介质基板、天线辐射模块、微带线‑过孔馈电结构；天线辐射模块被L型槽线分割，形成上下两个金属辐射贴片；L型槽线由两段线性槽线和渐变型槽线构成；与天线介质基板水平中心轴线平行的线性槽线在L型槽线中起连接作用，与末端开路的线性槽线和渐变型槽线，共同构成L型槽线；渐变型槽线呈喇叭状开口，并关于介质基板水平中心轴线对称，为指数渐变，微带线与L型槽线中起连接作用的线性槽线耦合。本发明通过简单的结构改善了天线低频时的阻抗匹配，在显著拓展天线工作频带、实现天线小型化的同时保证了天线辐射效率。

Description

一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线。
背景技术
Vivaldi天线又称之为指数渐变型槽线天线，由Gibson于1979年提出，是一种平面端射天线。由于其工作频带较宽、增益较高、低交叉极化，以及结构简单、易于加工，广泛应用于超宽带领域，例如探地雷达、超宽带通信系统等。
天线小型化是天线技术领域的研究热点。通常情况下，Vivaldi天线的尺寸约是其最低工作频率对应波长的二分之一，这限制了Vivaldi天线在许多重要场合的应用，因此国内外诸多学者对其小型化展开了研究，主要采用的方法有改善馈电结构、采用开槽方式等新颖结构以及电阻加载等。
其中电阻加载是一种可有效拓展Vivaldi天线工作频带、实现天线小型化的重要方法。但采用电阻加载将在拓展天线工作频带的同时消耗功率进而降低天线辐射效率。因此考虑是否可以通过改善天线结构，利用结构特性阻抗来等效电阻加载，从而实现既拓展天线工作频带也保证天线辐射效率的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，解决Vivaldi天线在拓展天线工作频带和小型化过程中天线辐射效率降低的技术问题。
为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，包括天线介质基板、天线辐射模块、微带线-过孔馈电结构；天线介质基板为矩形薄板；天线辐射模块印制在天线介质基板的同一面；微带线-过孔馈电结构由微带线和金属过孔组成；
天线辐射模块被L型槽线分割，形成上下两个金属辐射贴片；
L型槽线由两段线性槽线和渐变型槽线构成；两段线性槽线一段是与天线介质基板水平中心轴线垂直的线性槽线，且该线性槽线末端开路；另一段是与天线介质基板水平中心轴线平行的线性槽线；与天线介质基板水平中心轴线平行的线性槽线在L型槽线中起连接作用，与末端开路的线性槽线和渐变型槽线，共同构成L型槽线；
渐变型槽线呈喇叭状开口，并关于介质基板水平中心轴线对称，为指数渐变，指数方程为y＝±(c1eαx+c2)，其中α为指数渐变曲线的渐变率，c1、c2为指数渐变方程的常数；
L型槽线中的末端开路的线性槽线的长度不小于天线介质基板宽度的一半与在L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度一半的和；
渐变型槽线起始端宽度与L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度相同；渐变型槽线末端宽度小于或等于天线介质基板宽度；
微带线与L型槽线中起连接作用的线性槽线耦合，并由末端金属过孔完成馈电。
进一步的，微带线的导带印制在天线介质基板的另一面，与天线辐射模块中的下方金属辐射贴片构成微带传输线，微带线导带的起始位置在下方金属辐射贴片的底部或与渐变槽线喇叭开口方向相反的一侧。
进一步的，微带线为直线型，从天线介质基板的底部进行馈电。
进一步的，微带线也可为直角型，从天线介质基板的侧面，与渐变槽线的喇叭状开口的相反方向一侧进行馈电。
进一步的，金属过孔位于微带线导带末端，金属过孔半径为微带线导带宽度的一半。
进一步的，金属过孔连接微带线导带和天线辐射模块中的上方金属辐射贴片。
进一步的，L型槽线中的末端开路的线性槽线的长度等于天线介质基板宽度的一半与在L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度一半的和，拓展天线频带的效果更好。
进一步的，天线介质基板1采用具有一定介电常数的高频板材。
本发明的有效收益如下：
本发明提供出的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，L型槽线中与天线介质基板水平中心轴线垂直的线性槽线末端开路，等效大电阻加载，改善了天线低频时的阻抗匹配，在显著拓展天线工作频带下限、实现天线小型化的同时保证了天线辐射效率。同时，相比于其他采用复杂结构但拓展天线工作频带效果不够显著等，例如通过在天线辐射结构上开形状不一的槽或者增加谐振腔等方式，该天线结构形式简单，效果显著，并且易于分析设计及加工。
附图说明
图1为本发明实施例具有L型槽线的共面Vivaldi天线结构示意图；
图2为本发明实施例共面Vivaldi天线的回波损耗比仿真结果图；
图3为本发明实施例共面Vivaldi天线辐射效率随频率变化曲线图；
图4为本发明实施例共面Vivaldi天线的增益随频率变化曲线图；
其中，1-天线介质基板；2-天线辐射模块，21-上方金属辐射贴片，22-下方金属辐射贴片；3-L型槽线，31-末端开路的线性槽线，32-与天线介质基板水平中心轴线对称的线性槽线，33-呈喇叭状开口的指数渐变型槽线；4-微带线-过孔馈电结构，41-微带线，42-金属过孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的阐述和说明。
本发明提供的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线结构示意图如图1所示，包括天线介质基板1、天线辐射模块2、L型槽线3以及微带线-过孔馈电结构4。
其中，天线介质基板1为矩形薄板，天线辐射模块2印制在天线介质基板1的上表面，且被L型槽线3分割为上下两个金属辐射贴片21和22。
L型槽线3由两段线性槽线31、32和渐变型槽线33构成。线性槽线31与天线介质基板1的水平中心轴线垂直，其末端开路，其长度不小于天线介质基板1宽度的一半与线性槽线32宽度一半的和。末端开路的槽线长度如果小于上述值，那么末端开路槽线和渐变型槽线二者并联等效的阻抗就会变得很低，这样达不到拓展天线频带、减小天线尺寸(也就是天线小型化)的目的，而且此时上、下金属辐射贴片会连接起来，那样就构不成L型槽线。
线性槽线32长度较短，与天线介质基板1的水平中心轴线平行，在L型槽线中起连接作用，连接线性槽线31和渐变型槽线33。渐变型槽线33呈喇叭状开口，并关于天线介质基板1的水平中心轴线对称，渐变为指数渐变，指数渐变方程为y＝±c1eax+c2；渐变型槽线33起始端宽度等于线性槽线32的宽度，末端开口宽度小于或等于天线介质基板1的宽度。
微带线-过孔馈电结构4由微带线41和金属过孔42构成。微带线41的导带印制在天线介质基板1的下表面，其接地板为天线辐射模块2中的下方金属辐射贴片22。金属过孔42位于微带线41末端，其半径为微带线41中导带宽度的一半，并连接微带线41与天线辐射模块2中上方金属辐射贴片21。微带线41与L型槽线3中的线性槽线32耦合，再经由金属过孔42对天线进行馈电。微带线-过孔馈电结构4中的微带线41可为直线型，从天线介质基板1的底部进行馈电，如图1所示；也可采用直角型微带线，从天线介质基板1的侧面即与渐变槽线33的喇叭状开口的相反方向一侧进行馈电。
如图1所示，本发明的基本原理和工作过程为：采用同轴线等方式将电磁能量馈入微带线41，微带线41与L型槽线3中的线性槽线32进行耦合，并经由金属过孔42将电磁能量传输至天线辐射模块2。电磁能量沿线性槽线32向渐变型槽线33传输并向外辐射，即渐变型槽线33主要作用是电磁波的引向和辐射。在这一过程中，L型槽线3中的线性槽线31末端开路，等效大电阻加载，并与渐变型槽线33并联，二者并联后的阻抗小于渐变槽线33自身的输入阻抗，进而减小了在金属过孔42以及线性槽线32位置处的反射，从而改善了天线低频时的阻抗匹配，拓展了天线工作频带的低频下限、实现了天线小型化，且同时保证了天线的辐射效率。L型槽线3中的线性槽线32的作用主要包括：连接线性槽线31、渐变型槽线33，与微带线41进行耦合，以及在辐射过程中对电磁波进行传输和引向。天线介质基板1采用具有一定介电常数的高频板材即可。微带线41可根据实际使用需求，采用直线型或直角型微带线，从天线介质基板底部或侧面进行馈电。本发明简单，拓展天线工作频带效果显著，并保证了天线辐射效率。
如图1所示，L型槽线3中的呈喇叭状开口的渐变槽线33的边缘为关于天线介质基板1的水平中心轴线对称的上下两个指数型渐变曲线，以L型槽线3中的线性槽线32右侧端中心为坐标原点，以渐变槽线33开口方向为x轴正方向，以线性槽线31为y轴正方向，与y轴正方向同侧的上方指数渐变曲线的方程为：
y＝c1eαx+c2 (1)
其中，α为指数渐变曲线的渐变率，c1、c2为指数渐变方程的常数。各参数的确定方式为，给定α、c1或c2中的任意一个，然后由上指数渐变曲线的起始点和末端点坐标获得其他两个参数。如图1所示，上方指数渐变曲线的起始点坐标为(0，W2/2)，末端点坐标为(L1，W/2-W1)，给定c1，由此可得指数渐变线方程中的其他参数为，
c2＝W2/2-c1 (2)
α＝ln((W/2-W1-W2/2+c1)/c1)/L1 (3)
W2为L型槽线3中线性槽线32的宽度；W为天线介质基板1的宽度；W1为天线辐射模块2中各金属辐射贴片在y轴正方向的末端宽度；L1为指数渐变槽线的长度。y轴负方向的指数渐变槽线与y轴正方向指数渐变槽线关于x轴即天线介质基板1的水平中心轴线对称。
本发明的Vivaldi天线其他尺寸参数主要有：
如图1所示，天线介质基板的总长度为L，宽度为W，厚度为t(图中未标出)。
如图1所示，L型槽线3中线性槽线31的宽度为L3，长度为天线介质基板1的宽度W的一半与线性槽线32宽度W2的一半的和。L型槽线3中线性槽线32的长度为L2。
如图1所示，微带线-过孔馈电结构4的微带线41导带宽度为Wfeed，金属过孔42的半径为导带宽度Wfeed的一半，金属过孔42的圆心与天线介质基板1的水平中心轴线的垂直距离为W3，与线性槽线31的左侧的水平距离为L4。微带线41的导带长度等于金属过孔42圆心与天线介质基板1底部的垂直距离。
下面通过具体实施例，进一步的说明阐述本发明：
本发明的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线实施例，其天线介质基板1的板材选用FR4，其相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。各部件的尺寸参数以及渐变槽线33的渐变率与各常数如表1所示。
表1
结构参数 L L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> L<sub>3</sub> L<sub>4</sub> t c<sub>1</sub>
数值 290mm 219mm 31mm 10mm 3.3mm 2mm 2
结构参数 W W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub> W<sub>feed</sub> c<sub>2</sub> α
数值 240mm 55mm 0.5mm 3.7mm 3.6mm -1.75 1.602
本实施例在三维电磁仿真软件CST中进行建模，采用时域有限积分法进行计算仿真并通过频域算法进行了验证。
如图2所示为本发明实施例中共面Vivaldi天线的回波损耗仿真结果图，回拨损耗低于-10dB时工作频带为0.33-7.48GHz，由表1中天线介质基板1的宽度W以及工作频带的最低工作频率可知，天线的宽度约为最低工作频率对应波长的0.26倍，显著拓展了天线工作频带低频下限，实现了由简单结构达到的天线小型化。
如图3所示为本发明实施例中共面Vivaldi天线的辐射效率随频率变化曲线结果图，辐射效率基本接近于1，说明本发明实施例中等效大电阻加载的末端开路线性槽线31不影响天线的辐射效率。图2和图3说明，本发明实施例在拓展天线工作频带、实现天线小型化的同时保证了天线的辐射效率。
如图4所示为本发明实施例中共面Vivaldi天线的增益随频率变化曲线结果图，在0.6GHz以上频率范围增益大于5dBi，在1.6-6.3GHz频率范围内，增益在10dBi附近，波动较小，方向性良好。

Claims (8)

1.一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，包括天线介质基板、天线辐射模块、微带线-过孔馈电结构；所述的天线介质基板为矩形薄板；所述的天线辐射模块印制在天线介质基板的同一面；所述的微带线-过孔馈电结构由微带线和金属过孔组成；其特征在于：
所述的天线辐射模块被L型槽线分割，形成上下两个金属辐射贴片；
所述的L型槽线由两段线性槽线和渐变型槽线构成；两段线性槽线，一段是与天线介质基板水平中心轴线垂直的线性槽线，且该线性槽线末端开路；另一段是与天线介质基板水平中心轴线平行的线性槽线；与天线介质基板水平中心轴线平行的线性槽线在L型槽线中起连接作用，与末端开路的线性槽线和渐变型槽线，共同构成L型槽线；
所述的渐变型槽线呈喇叭状开口，并关于介质基板水平中心轴线对称，为指数渐变，指数方程为y＝±(c1eαx+c2)，其中α为指数渐变曲线的渐变率，c1、c2为指数渐变方程的常数；
所述的L型槽线中的末端开路的线性槽线的长度不小于天线介质基板宽度的一半与在L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度一半的和；
所述的渐变型槽线起始端宽度与L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度相同；渐变型槽线末端宽度小于或等于天线介质基板宽度；
所述的微带线与L型槽线中起连接作用的线性槽线耦合。
2.根据权利要求1所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的微带线的导带印制在天线介质基板的另一面，与天线辐射模块中的下方金属辐射贴片构成微带传输线，微带线导带的起始位置在下方金属辐射贴片的底部或与渐变槽线喇叭开口方向相反的一侧。
3.根据权利要求2所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的微带线为直线型，从天线介质基板的底部进行馈电。
4.根据权利要求2所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的微带线为直角型，从天线介质基板的侧面，与渐变槽线的喇叭状开口的相反方向一侧进行馈电。
5.根据权利要求1所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的金属过孔位于微带线导带末端，金属过孔半径为微带线导带宽度的一半。
6.根据权利要求5所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的金属过孔连接微带线导带和天线辐射模块中的上方金属辐射贴片。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的L型槽线中的末端开路的线性槽线的长度等于天线介质基板宽度的一半与在L型槽线中起连接作用的线性槽线宽度一半的和，拓展天线频带的效果更好。
8.根据权利要求7所述的一种具有L型槽线的共面Vivaldi天线，其特征在于，所述的天线介质基板采用具有一定介电常数的高频板材。
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GR01 Patent grant
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