CN113794045B - 一种加载引向器的Vivaldi天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加载引向器的Vivaldi天线，包括辐射结构、馈电结构和引向器结构；辐射结构，包括在纵向分布的上层金属接地板的前端和中部，通过刻蚀形成的缝隙结构；馈电结构，包括金属微带线和矩形结构；金属微带线，设置于上层金属接地板的底面；金属微带线的前端，与一个矩形结构相连接；引向器结构，包括相互连接的两个新型引向器；两个新型引向器前后间隔分布；两个新型引向器，位于缝隙结构的正后方。本发明的Vivaldi天线，通过将引向器加入Vivaldi天线的设计中，可以有效提高Vivaldi天线的增益，使其具备了较高的增益性能，具备增益稳定、剖面低的优秀性能，可以稳定、可靠地接收和发射无线信号。

Description

一种加载引向器的Vivaldi天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种加载引向器的Vivaldi天线。
背景技术
目前，科学技术的不停创新，促使了现代无线通信技术的发展，天线作为通信系统的重要器件，对天线的性能提出了更高的要求。
宽频带、高增益、良好的方向性以及低成本、易于集成的天线，受到了愈来愈多的关注。
Vivaldi天线(即开槽天线)是一种端射渐变槽线天线，电流分布主要集中在呈指数变化的槽线附近，具有宽带的良好性能，被广泛的应用于通信中。
但是，针对传统的Vivaldi天线，天线的辐射增益以及方向性有待进一步改善。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种加载引向器的Vivaldi天线。
为此，本发明提供了一种加载引向器的Vivaldi天线，包括辐射结构、馈电结构和引向器结构；
其中，辐射结构，包括在纵向分布的上层金属接地板的前端和中部，通过刻蚀形成的缝隙结构；
其中，馈电结构，包括金属微带线和矩形结构；
金属微带线，设置于上层金属接地板的底面；
金属微带线的前端，与一个矩形结构相连接；
其中，引向器结构，包括相互连接的两个新型引向器；
两个新型引向器前后间隔分布；
两个新型引向器，位于缝隙结构的正后方。
优选地，缝隙结构，具体包括：从前往后依次相接的圆形缝隙、渐变缝隙、矩形缝隙以及梯形缝隙；
圆形缝隙、渐变缝隙、矩形缝隙以及梯形缝隙的中心点，位于同一纵向轴线上。
优选地，圆形缝隙的形状为圆形，其半径为毫米。
优选地，金属微带线包括：纵向金属线和横向金属线；
矩形结构，为设置在上层金属接地板前端的、前侧开口以及上下两侧开口的矩形缺口槽；
纵向金属线的一端，与矩形结构的后端垂直相接；
纵向金属线的另一端和横向金属线的一端垂直相接；
横向金属线，与圆形缝隙、渐变缝隙、矩形缝隙以及梯形缝隙的中心点所在的纵向轴线，垂直相交。
优选地，缝隙结构的底面与金属微带线的顶面，在垂直方向的间隔距离为预设距离值。
优选地，预设距离值为1毫米。
优选地，每个新型引向器，包括两个引向器金属块；
两个引向器金属块，左右对称地设置在上层金属接地板的后侧左右两端；
上层金属接地板的后侧顶面，在两个引向器金属块之间间隙的后侧位置，设置有附属矩形金属阵组合。
优选地，引向器金属块，为L型的金属块；
附属矩形金属阵组合，包括两列横向间隔分布的金属块；
每列金属块，包括纵向间隔分布的、预设的多个矩形金属块。
优选地，位于前方的新型引向器前端，与梯形缝隙的后侧边缘线之间，具有横向分布的第一间隙；
位于前方的新型引向器中的两个引向器金属块的后端，与位于后方的新型引向器中的两个引向器金属块的前端之间，具有横向分布的第二间隙。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种加载引向器的Vivaldi天线，其结构设计科学，在同样天线主体结构的情况下，通过将引向器加入Vivaldi天线的设计中，可以有效提高Vivaldi天线的增益，使其具备了较高的增益性能。
经过检验，本发明提供的加载引向器的Vivaldi天线，具备增益稳定、剖面低的优秀性能，可以稳定、可靠地接收和发射无线信号。
附图说明
图1为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线中，上层金属接地板的俯视图；
图2为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线中，上层金属接地板、馈电结构和新型引向器的立体连接结构示意图；
图3为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线中，上层金属接地板、馈电结构和传统引向器的立体连接结构示意图；
图4为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线，模拟仿真的相对带宽匹配图对比图；
图5为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线，模拟仿真得到的增益对比图；
图6a为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线，模拟仿真得到的天线的E面(即电面，即指平行于电场方向的方向平面)辐射方向图；
图6b为本发明供的一种加载引向器的Vivaldi天线，模拟仿真得到的天线的H面(即磁面，即指平行于磁场方向的方向平面)辐射方向图；
其中：1、上层金属接地板；2、新型引向器；3、金属微带线；4、传统引向器。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1至图6，本发明提供了一种加载引向器的Vivaldi天线，其工作频段可覆盖190MHz～280MHz，该天线具体包括辐射结构、馈电结构和引向器结构；
其中，辐射结构，包括在纵向分布的上层金属接地板1的前端和中部，通过刻蚀形成的缝隙结构10；
其中，馈电结构，包括金属微带线3；
金属微带线3，设置于上层金属接地板1的底面；
金属微带线3的前端，与一个矩形结构30相连接。
其中，引向器结构，包括相互连接的两个新型引向器2；
两个新型引向器2前后间隔分布；
两个新型引向器2，位于缝隙结构10的正后方。
在本发明中，具体实现上，缝隙结构10的四周边缘线为槽线；
缝隙结构10，具体包括：从前往后依次相接的圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14；
圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14的中心点，位于同一纵向轴线上。
具体实现上，槽线(即缝隙结构10的四周边缘线)，包括最底端的圆形槽线和中间的矩形槽线(矩形缝隙13的四周边缘线)以及渐变槽线(即渐变缝隙12的四周边缘线)。
具体实现上，圆形缝隙11的形状为圆形，其半径为30毫米。
在本发明中，具体实现上，金属微带线3包括：纵向金属线31和横向金属线32；
矩形结构30，为设置在上层金属接地板1前端的、前侧开口以及上下两侧开口的矩形缺口槽；
纵向金属线31的一端，与矩形结构30的后端垂直相接；
纵向金属线31的另一端和横向金属线32的一端垂直相接；
横向金属线32，与圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14的中心点所在的纵向轴线，垂直相交。
在本发明中，具体实现上，辐射结构和馈线结构之间的间隙为预设值(优选为1毫米)，具体为：缝隙结构10的底面与金属微带线3的顶面，在垂直方向的间隔距离为预设距离值(优选为1毫米)。
需要说明的是,对于本发明的天线，在天线工作时，金属微带线3通过将能量耦合到槽线(即缝隙结构10的四周边缘线)的形式馈电。辐射臂分为两部分，矩形槽线(即矩形缝隙13的四周边缘线)部分和指数曲线渐变部分(即渐变缝隙12的四周边缘线部分)，矩形槽线部分将能量束缚在槽线内部，主要用于传输能量，随着渐变部分开口宽度越来越大，当槽线宽度大于对应频段波长的二分之一时，能量将会挣脱束缚向外辐射，渐变部分的作用主要是辐射能量。
Vivaldi的渐变槽线(即渐变缝隙12的四周边缘线)公式：
上述Vivaldi的渐变槽线公式的相关内容，可以参见《移动通信》刊物2008年第06期记载的文章《边莉，吕中志，博识，孙风林[M].关于Vivaldi超宽带天线设计方案的研究移动通信,2008》。
在上述公式中，Y函数即公式(1)为槽线的指数函数，C1和C2为指代系数，(x1,y1),(x2,y2)分别是渐变槽线始端和末端的坐标，R是渐变槽线的曲率，决定槽线的弯曲程度，当R＝0时渐变槽线变成直线。槽线的起始端和末端的宽度与Vivaldi工作频段有关，理论上Vivaldi天线产生辐射的条件是槽线开口宽度大于对应频率的二分之一波长小于二倍波长，渐变槽线末端最大宽度取决于低频截止频率，始端最小宽度取决于高频截止频率。经过对天线匹配和增益性能的优化，在本发明中，天线缝隙采用从前往后依次相接的圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14。
在本发明中，将缝隙线下端延长的部分设计为圆形谐振腔结构(即圆形缝隙11)，它能够保证槽线末端在较宽频带内保持短路。当能量通过微带线耦合到槽线时，其中一部分能量沿着主辐射方向传播，另外一部分能量则会沿着与天线主辐射方向相反的方向传输，圆形缝隙11的作用是可以将这部分的能量反射到天线的主辐射方向，经过仿真发现圆形缝隙11的半径参数对微带传输线起到阻抗匹配作用，经过仿真优化，选取半径为30毫米得到最佳匹配。
在本发明中，天线介质板的选择，对天线性能有很大的影响，当其厚度较厚时可以展宽带宽，但是当介质基板过厚时，会激起表面波效应，这种表面波形成的二次辐射是杂乱无章的，导致天线的增益下降，方向图副瓣升高，性能恶化。在本发明的天线设计过程中，在保持天线增益性能的基础上选择辐射结构和馈电线之间的高度为1毫米，具体为：缝隙结构10的底面与金属微带线3的顶面，在垂直方向的间隔距离为预设距离值(优选为1毫米)。
在本发明中，具体实现上，每个新型引向器2，包括两个引向器金属块21；
两个引向器金属块21，左右对称地设置在上层金属接地板1的后侧顶部左右两端；
上层金属接地板1的后侧顶面，在两个引向器金属块21之间间隙的后侧位置，设置有附属矩形金属阵组合22。
具体实现上，引向器金属块21，优选为L型的金属块。
具体实现上，附属矩形金属阵组合22，包括两列横向间隔分布的金属块；
每列金属块，包括纵向间隔分布的、预设的多个矩形金属块(不限于图1所示的六个)。
在本发明中，具体实现上，位于前方的新型引向器2前端，与梯形缝隙14的后侧边缘线之间，具有横向分布的第一间隙5；
位于前方的新型引向器2中的两个引向器金属块21的后端，与位于后方的新型引向器2中的两个引向器金属块21的前端之间，具有横向分布的第二间隙6。
对于本发明，需要说明的是，本发明采用缝隙耦合馈电形式，来实现阻抗匹配设计，该天线主要由位于最顶层的上层金属接地板1、上层金属接地板1上刻蚀的槽线所围成的缝隙结构10和位于最底层的金属微带线3以及新型引向器2组成；
其中，最顶层的上层金属接地板1主体是一个刻蚀缝隙的矩形，也是主要辐射结构；
其中，上层金属接地板1上刻蚀的缝隙，主要包括：圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14。圆形缝隙11，主要对微带传输线(即金属微带线3)起到阻抗匹配的作用；与圆形缝隙11相接的渐变缝隙12和微带传输线(即金属微带线3)起到了相互耦合电磁波的作用；矩形缝隙13以及梯形缝隙14，对天线所辐射的电磁波起到一定的引向作用；
位于最底层的是金属微带线3，金属微带线的终端是一个附属的矩形结构，主要起到终端负载的匹配作用。
具体实现上，对于Vivaldi天线，引向器结构，不仅可以采用图1、图3所示的新型引向器2，还可以采用图3所示的传统引向器4；
传统引向器4，包括两列横向间隔分布的金属块；
每列金属块，包括纵向间隔分布的、预设的多个矩形金属块(不限于图3所示的十三个)。
需要说明的是，传统引向器4的矩形金属块，也设置在一个引向器金属底板上。
在本发明中，对于本发明提供的Vivaldi天线，其在工作时，能量通过金属微带线3耦合到槽线即缝隙结构10，然后沿着渐变槽线始端流向槽线末端开口方向，Vivaldi天线是具有端射特性的行波天线。根据Vivaldi天线的辐射原理，槽线宽度大于工作频率的二分之一波长小于二倍波长时，天线才能产生有效辐射。
在本发明中，天线的上层金属结构(即上层金属接地板1)、新型引向器2和馈电结构(即金属微带线3)要求为金属铜材料，均为单层结构。在天线工作时，金属微带线3通过缝隙10将能量耦合到上层的金属结构1，能量在上层金属结构1上传播，经过开口缝隙10向外辐射，能量辐射到引向器2，由于引向器结构电流滞后于天线主要结构，能量到达引向器后同相迭加，达到较为稳定的辐射。
在本发明中，对于缝隙结构10来说，缝隙结构10和金属地板结构(即上层金属接地板1)为同一平面，为单层结构，缝隙结构10实质上是在金属接地板上刻蚀出圆形缝隙11、渐变缝隙12、矩形缝隙13以及梯形缝隙14等结构。在天线中，缝隙结构10的加载主要作用是传输能量，适当调节缝隙结构，可以有效提高天线的增益和提高天线辐射的稳定性。
在本发明中，矩形结构30为在金属地板(即上层金属接地板1)同一平面上刻蚀的矩形缝隙，主要为了方便微带线外接SMA接头时预留出的空隙。
在本发明中，金属微带线3包括的纵向金属线31和横向金属线32为金属铜材料，为单层结构。金属微带线的纵向金属线31和横向金属线32主要用于调节天线的阻抗匹配，纵向金属线31用于传递能量，横向金属线32可以通过上层金属接地板1上刻蚀的缝隙，将能量耦合到上层金属接地板1上，实现天线的辐射。
在本发明中，引向器结构中的引向器金属块21和附属矩形金属阵组合22均为理想金属铜材质，是单层结构，和金属接地板结构(即上层金属接地板)在同一平面。引向器结构中的引向金属块21，主要用于将天线辐射的能量进一步迭加，增强天线的方向性和增益，同时加载了附属矩形金属阵组合22，能够进一步增强天线的方向性，使得天线具有更高的增益性能。
在本发明中，两个新型引向器2的引向器金属块21以及附属矩形金属阵组合22和上层金属接地板1在同一平面内，其采用的加工方式为印刷的方式。
在本发明中，对于第一间隙5和第二间隙6，用于调节引向器和天线的相位差，适当调节两个间隙，可以使引向器达到最大引向作用，提高天线的方向性和增益。
在本发明中，图4、图5和图6展示了本发明的Vivaldi天线的各项辐射性能。采用本发明设计的Vivaldi天线，阻抗匹配带宽在190MHz～280MHz，相对带宽为38％，并且在该频段内维持了一个较稳定的增益，仿真增益峰值为5.96dBi，辐射方向图符合定向天线的特征，主极化前后比大于10dB，能够实现良好的定向辐射。对于本发明的天线，天线的E面(电面，即指平行于电场方向的方向平面)和H面(磁面，即指平行于磁场方向的方向平面)和H面(磁面，即指平行于磁场方向的方向平面)辐射能量主要集中于法向方向，具有较好的稳定性，辐射方向图保持了良好的方向性，能达到较好的辐射性能。
其中，图4的实线展示的是本发明天线(即加载新型引向器时的天线)的阻抗匹配性能，虚线展示模型为图3所示的加载传统引向器结构的阻抗匹配性能，从图4中可以看出，本发明设计的天线，具有更好的阻抗匹配性能。
图5的实线展示的是本发明天线(即加载新型引向器时的天线)的增益性能，虚线展示模型为图3所示的加载传统引向器结构的增益性能，从图5中可以看出，本发明设计天线与加载传统引向器的天线相比具有更高的增益。
图6为本发明设计天线(即加载新型引向器时的天线)的方向图，展示出天线具有良好的方向性能，能量辐射较为集中，方向性好。
与现有技术相比较，本发明提供的一种加载引向器的Vivaldi天线，具有如下有益效果：
1、本发明通过在微带馈线(即金属微带线3)末端加载矩形结构，改善了天线的阻抗匹配，带宽可以覆盖190MHz-280MHz频段；
2、本发明在辐射金属片(即辐射结构)后加载引向器结构，明显改善天线在190MHz-280MHz的增益，增强了辐射的稳定性；
3、本发明的天线，结构设计科学，具有实际应用和推广价值。
需要说明的是，对于本发明提供的Vivaldi天线，在天线工作时，能量通过微带线耦合到槽线，然后沿着渐变槽线始端流向槽线末端开口方向，Vivaldi天是具有端射特性的行波天线。要满足行波机制的要求，天线的长度满足λ/2≤天线长度≤λ，要想天线工作在目标频段190MHz-280MHz频段，中心频率为f0＝235MHz，调整适当的天线长度约为1200毫米。微带天线是一种半波谐振天线，矩形贴片的长边L＝λ/2(λ为等效波长)，辐射贴片的宽度W会直接影响天线的阻抗带宽、整体尺寸等特性，其值的选取在微带天线设计中尤为重要。微带贴片的宽度W计算公式为：
在公式(4)中，c是真空中的光速，f0是天线的中心频率，εr是介质板相对介电常数。
对于本发明，引向器结构的引入，在本质上来说是电流相位的影响，引向器的电流滞后于天线上的电流，天线信号传输到引向器部分，电流同相叠加，信号迭加得到加强，使得该Vivaldi天线在整体具有良好的辐射性能，增益得到提高。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种加载引向器的Vivaldi天线，其结构设计科学，在同样天线主体结构的情况下，通过将引向器加入Vivaldi天线的设计中，可以有效提高Vivaldi天线的增益，使其具备了较高的增益性能。
经过检验，本发明提供的加载引向器的Vivaldi天线，具备增益稳定、剖面低的优秀性能，可以稳定、可靠地接收和发射无线信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种加载引向器的Vivaldi天线，其特征在于，包括辐射结构、馈电结构和引向器结构；
其中，辐射结构，包括在纵向分布的上层金属接地板（1）的前端和中部，通过刻蚀形成的缝隙结构（10）；
其中，馈电结构，包括金属微带线（3）和矩形结构（30）；
金属微带线（3），设置于上层金属接地板（1）的底面；
金属微带线（3）的前端，与一个矩形结构（30）相连接；
其中，引向器结构，包括相互连接的两个新型引向器（2）；
两个新型引向器（2）前后间隔分布；
两个新型引向器（2），位于缝隙结构（10）的正后方；
缝隙结构（10），具体包括：从前往后依次相接的圆形缝隙（11）、渐变缝隙（12）、矩形缝隙（13）以及梯形缝隙（14）；
圆形缝隙（11）、渐变缝隙（12）、矩形缝隙（13）以及梯形缝隙（14）的中心点，位于同一纵向轴线上；
金属微带线（3）包括：纵向金属线（31）和横向金属线（32）；
矩形结构（30），为设置在上层金属接地板（1）前端的、前侧开口以及上下两侧开口的矩形缺口槽；
纵向金属线（31）的一端，与矩形结构（30）的后端垂直相接；
纵向金属线（31）的另一端和横向金属线（32）的一端垂直相接；
横向金属线（32），与圆形缝隙（11）、渐变缝隙（12）、矩形缝隙（13）以及梯形缝隙（14）的中心点所在的纵向轴线，垂直相交；
每个新型引向器（2），包括两个引向器金属块（21）；
两个引向器金属块（21），左右对称地设置在上层金属接地板（1）的后侧左右两端；
上层金属接地板（1）的后侧顶面，在两个引向器金属块（21）之间间隙的后侧位置，设置有附属矩形金属阵组合（22）；
引向器金属块（21），为L型的金属块；
附属矩形金属阵组合（22），包括两列横向间隔分布的金属块；
每列金属块，包括纵向间隔分布的、预设的多个矩形金属块。
2.如权利要求1所述的加载引向器的Vivaldi天线，其特征在于，圆形缝隙（11）的形状为圆形，其半径为（30）毫米。
3.如权利要求1所述的加载引向器的Vivaldi天线，其特征在于，缝隙结构（10）的底面与金属微带线（3）的顶面，在垂直方向的间隔距离为预设距离值。
4.如权利要求3所述的加载引向器的Vivaldi天线，其特征在于，预设距离值为1毫米。
5.如权利要求1所述的加载引向器的Vivaldi天线，其特征在于，位于前方的新型引向器（2）前端，与梯形缝隙（14）的后侧边缘线之间，具有横向分布的第一间隙（5）；
位于前方的新型引向器（2）中的两个引向器金属块（21）的后端，与位于后方的新型引向器（2）中的两个引向器金属块（21）的前端之间，具有横向分布的第二间隙（6）。
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