CN114188709A - 一种用于医学成像的vivaldi天线及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于医学成像的vivaldi天线及其制作方法，所述天线包括：辐射贴片、介质基板和微带线，所述辐射贴片位于介质基板顶层，所述微带线位于介质基板底层，所述辐射贴片表面两侧刻蚀有多个瓶状凹槽，用于削弱电流回流现象。辐射贴片包括指数渐变型贴片和矩形贴片，所述指数渐变型贴片和矩形贴片相连接。本发明的天线在辐射贴片表面两侧刻蚀了多个等长等宽等间距的瓶状凹槽，削弱了贴片表面电流回流现象，集中了能量，有效改善了回波损耗、驻波比、增益、辐射效率和方向性等天线特性。
Description
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，特别是涉及一种用于医学成像的vivaldi天线及其制作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着科学技术的不断提高，医学成像技术也有了迅速的发展。医学成像可以方便医生快速、准确地获取病理信息，提出方案，及时医治病人。
传统的医学成像技术包括CT、MRI、B超等等。与传统技术相比，微波成像技术不仅探测时间快、成像结果准确，而且设备价格相对便宜，对人体伤害性小，使用一种很弱的电磁辐射对图像进行重塑，是一种非接触式的成像技术，可以很好地用于医学成像中。
在微波成像系统中，天线是极其重要的一环。天线作为收发信号的设备，其性能对于最后的成像结果有重要的影响。微波成像系统要求天线低损耗、高增益、方向性好，且不占用过多空间。常用的天线有单极子贴片天线、喇叭天线和vivaldi天线。其中，vivaldi天线是一种低剖面、定向性、小型化的天线，适用于微波成像系统。Vivaldi天线由Gibson于1979年首次提出，其表面贴片呈指数渐变型，可以很好地引导电流在天线表面流动。
原始的viavldi天线尺寸受天线频率的影响，拓宽天线低频点工作频率会增大天线尺寸。此外，由于贴片表面存在电流回流现象，一部分电流会由指数渐变线内侧流向贴片边缘，导致能量不集中，天线的损耗增大，增益减小，波束定向性减弱，影响辐射效果及成像效果。在高频处，原始viavldi天线的方向性也有待提高
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于医学成像的vivaldi天线及其制作方法，其能够够削弱电流回流现象，提升天线辐射性能，同时使天线满足小型化特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于医学成像的vivaldi天线，包括：
辐射贴片、介质基板和微带线，所述辐射贴片位于介质基板顶层，所述微带线位于介质基板底层，所述辐射贴片表面两侧刻蚀有多个瓶状凹槽，用于削弱电流回流现象。
进一步地，辐射贴片包括指数渐变型贴片和矩形贴片，所述指数渐变型贴片和矩形贴片相连接。
进一步地，所述指数渐变型贴片设置为两组，两组所述指数渐变型贴片围成的开口槽的中间加载多个金属条，用于改善天线的方向性。
进一步地，所述两组指数渐变型贴片围成的开口槽包括指数渐变型开口槽和矩形过渡槽。
进一步地，所述指数渐变型开口槽由两条指数渐变线组成。
进一步地，所述矩形过渡槽宽度与两条指数渐变线起点间的距离相等。
进一步地，所述辐射贴片的尺寸与介质基板的尺寸一致，所述辐射贴片的尺寸包括辐射贴片的长度与宽度，所述介质基板尺寸包括介质基板的长度与宽度。
进一步地，所述瓶状凹槽由两段矩形凹槽组成，所述两段矩形凹槽的宽度不同。
进一步地，所述多个金属条的长度一致，宽度一致。
第二方面，本发明提供一种用于医学成像的vivaldi天线制作方法，包括：
对原始vivaldi天线的介质基板进行绘制，包括在介质基板顶层绘制指数型贴片，在基板顶层绘制矩形过渡槽；
根据矩形过渡槽的宽度确定指数渐变线的渐变率；
绘制矩形贴片，并与指数型贴片连接形成辐射贴片；
绘制馈电线，用于向顶层介质基板耦合传输能量，保证均匀馈电；
在辐射贴片两侧刻蚀瓶状凹槽，以及指数渐变型开口槽；
指数渐变型开口槽中间加载金属条，用于在开口槽处指引波束的传播；
对天线进行建模。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的天线在辐射贴片表面两侧刻蚀了多个等长等宽等间距的瓶状凹槽，削弱了贴片表面电流回流现象，集中了能量，有效改善了回波损耗、驻波比、增益、辐射效率和方向性等天线特性；
本发明的天线在指数渐变开口槽中间加载了多个等长等宽、表面形状为矩形的金属条，改善了天线的辐射波束，提高了天线的定向辐射性能；
本发明的天线满足小型化特点，能够适用于微波成像系统中。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是原始vivaldi天线的正面图；
图2是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的正面图；
图3是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的正面图；
图4是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的背面图；
图5是原始vivaldi天线的S11图；
图6是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的S11图；
图7是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的S11图；
图8是原始vivaldi天线的VSWR图；
图9是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的VSWR图；
图10是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的VSWR图；
图11是原始vivaldi天线的增益图；
图12是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的增益图；
图13是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的增益图；
图14是原始vivaldi天线的辐射效率图；
图15是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的辐射效率图；
图16是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的辐射效率图；
图17是原始vivaldi天线在3GHz处的方向图；
图18是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在3GHz的方向图；
图19是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在3GHz处的方向图；
图20是原始vivaldi天线在4GHz处的方向图；
图21是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在4GHz的方向图；
图22是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在4GHz处的方向图；
图23是原始vivaldi天线在5GHz处的方向图；
图24是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在5GHz的方向图；
图25是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在5GHz处的方向图；
图26是原始vivaldi天线在6GHz处的方向图；
图27是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在6GHz的方向图；
图28是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在6GHz处的方向图；
图29是原始vivaldi天线在7GHz处的方向图；
图30是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在7GHz的方向图；
图31是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在7GHz处的方向图；
图32是原始vivaldi天线在8GHz处的方向图；
图33是贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线在8GHz的方向图；
图34是本发明的用于医学成像的vivaldi天线的在8GHz处的方向图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
第一方面，本发明提供一种用于医学成像的vivaldi天线，包括：
辐射贴片、介质基板和微带线，所述辐射贴片位于介质基板顶层，所述微带线位于介质基板底层，所述辐射贴片表面两侧刻蚀有多个瓶状凹槽，用于削弱电流回流现象。
辐射贴片包括指数渐变型贴片和矩形贴片，所述指数渐变型贴片和矩形贴片相连接。
所述指数渐变型贴片设置为两组，两组所述指数渐变型贴片围成的开口槽的中间加载多个金属条，用于改善天线的方向性；所述两组指数渐变型贴片围成的开口槽包括指数渐变型开口槽和矩形过渡槽。所述指数渐变型开口槽由两条指数渐变线组成。所述矩形过渡槽宽度与两条指数渐变线起点间的距离相等。所述辐射贴片的尺寸与介质基板的尺寸一致，所述辐射贴片的尺寸包括辐射贴片的长度与宽度，所述介质基板尺寸包括介质基板的长度与宽度；所述瓶状凹槽由两段矩形凹槽组成，所述两段矩形凹槽的宽度不同。所述多个金属条的长度一致，宽度一致。
具体的，
包括辐射贴片、介质基板和微带线，所述辐射贴片位于介质基板顶层，所述微带线位于介质基板底层，所述辐射贴片包括两个指数渐变型贴片和一个矩形贴片，所述两个指数渐变型贴片和一个矩形贴片紧密相连，所述辐射贴片表面刻蚀多个瓶状凹槽以削弱电流回流现象，所述两个指数渐变型贴片围成的凹槽的中间加载了多个金属条以改善天线的方向性。
所述辐射贴片整体尺寸与所述介质基板整体尺寸一致。
所述辐射贴片尺寸包括辐射贴片的长度与宽度。
所述介质基板尺寸包括介质基板的长度与宽度。
所述介质基板材料为FR4。
所述指数渐变型贴片围成的凹槽包括一个指数渐变型开口槽和一个矩形过渡槽。
所述指数渐变型开口槽由两条指数渐变线组成。
所述矩形过渡槽由一个矩形组成，和所述微带线相互耦合，传输电磁波。
所述两条指数渐变线的起点距离与所述矩形过渡槽宽度一致。
所述两条指数渐变线与所述矩形过渡槽一段紧密相连。
所述辐射贴片表面的单一瓶状凹槽由两个矩形组成。
所述组成单一瓶状凹槽的两段矩形长度一致。
所述组成单一瓶状凹槽的上段矩形槽宽度小于下段矩形槽宽度。
所述组成单一瓶状凹槽的两段矩形上下相连，紧密连接。
所述辐射贴片两侧刻蚀的瓶状凹槽关于直线y＝W/2对称，W是天线的宽度。
所述辐射贴片两侧刻蚀的瓶状凹槽数量一致。
所述辐射贴片刻蚀的所有瓶状凹槽尺寸一致。
所述瓶状凹槽的尺寸包括单一瓶状凹槽的长度、宽度和相邻瓶状凹槽的间距。
所述单一金属条的位置关于直线y＝W/2对称，W是天线宽度。
所述金属条数量有多个。
所述所有金属条的尺寸一致。
所述金属条尺寸包括金属条的长度、宽度和相邻金属条的间距。
所述微带线平面形状为矩形。
所述金属条、所述辐射贴片与所述微带线材料一致。
实施例2.
本发明提供一种用于医学成像的vivaldi天线制作方法，包括：对原始vivaldi天线的介质基板进行绘制，包括在介质基板顶层绘制指数型贴片，在基板顶层绘制矩形过渡槽；
根据矩形过渡槽的宽度确定指数渐变线的渐变率；
绘制矩形贴片，并与指数型贴片连接形成辐射贴片；
绘制馈电线，用于向顶层介质基板耦合传输能量，保证均匀馈电；
在辐射贴片两侧刻蚀瓶状凹槽，以及指数渐变型开口槽；
指数渐变型开口槽中间加载金属条，用于在开口槽处指引波束的传播；
对天线进行建模。
具体的，
如图1所示，对原始vivaldi天线的介质基板1进行绘制。介质基板1的长度与宽度受频率的影响，如公式(1)和(2)所示，f取最低频率。在本实施例中，介质基板1的长度取110mm，宽度取96mm，这样保证天线在低频情况下也可工作。常用的介质基板1高度有0.8mm和1.2mm和1.6mm，在本实施例中，介质基板1高度取0.8mm。介质基板1的材料选用FR4。
L>0.5*c/f (1)
W>0.5*c/f (2)
在介质基板1顶层绘制指数型贴片。首先绘制指数渐变线2。如公式(3)所示，指数渐变线受参数a，b，c影响。b是指数渐变率，由公式(4)所示，它的取值受矩形过渡槽5的宽度、介质基板1的长度及介质基板1长度宽度的影响。a、c是两个常数，分别由公式(5)和(6)确定。x1、y1是指数渐变线2起点的横坐标与纵坐标，x2、y2是指数渐变线2终点的横坐标与纵坐标。由于介质基板1的长度确定，因此x2取值确定为110mm。x1取值决定了电流在指数渐变贴片表面的路径长度，经过优化分析，在本实施例中x1的取值确定为13mm。y1取值受介质基板1的宽度与矩形过渡槽5宽度的共同影响。y2取值决定了介质基板1顶层指数开口槽3的宽度。为了更好地集中波束，y2取值确定为86mm。结合介质基板1宽度确定vivaldi天线开口宽度为76mm。
y＝a*eb*x+c (3)
b＝(1/L)*ln(W/sw) (4)
进一步地，参照图1，在基板顶层绘制矩形过渡槽5。矩形过渡槽5一端与指数渐变线2起点相连。矩形过渡槽5在vivaldi天线工作时起到耦合电磁波与束缚贴片表面电流的作用。经过优化分析，矩形过渡槽5的宽度sw取值为0.5mm，长度取值为8mm。
进一步地，根据矩形过渡槽5宽度确定指数渐变线的渐变率b为0.05，y1的值为48.25mm，进一步确定a为0.14，c为47.8，指数渐变线2的曲线方程y＝0.14*e(0.05*x)+47.8。根据该方程绘制一个指数型贴片，利用对称轴y＝W/2，绘制另一个指数型贴片。
进一步地，绘制矩形贴片。矩形贴片的宽度与介质基板1的宽度一致，长度与矩形过渡槽5至介质基板1边缘的距离一致，确保指数贴片与矩形贴片紧密连接,形成整个辐射贴片4。
参照图4，绘制馈电线8。本实施例中，馈电线8平面形状为矩形，保证均匀馈电。馈电线8的作用是向顶层介质基板1耦合传输能量，需要考虑耦合位置、微带线本身位置、微带线截面面积等因素对于对于天线性能的影响。本实施例中，为确保能量能从底层有效传入至顶层，保证天线指数槽处的波束匀称，将矩形微带线8的长度设置为55mm，面积设置为1.5mm。进一步确定耦合位置在介质基板1中心位置附近。
作为一种实施方式，
在设计的原始天线的基础上，本实施例提供贴片两侧刻蚀瓶状凹槽的vivaldi天线的设计方案。
贴片两侧的瓶状凹槽6可以削弱电流回流，提升天线性能。参照图2，对辐射贴片两侧的瓶状凹槽进行设计。首先对单一瓶状凹槽6的高度进行设计。本实施例中单一瓶状凹槽6的长度cl由公式(7)确定，λ为天线最低频率的波长。瓶状凹槽6由两段矩形组成，两段矩形的高度分别等于单一瓶状凹槽6总体高度的二分之一。本实施例中单一瓶状凹槽6的高度取20mm，保证瓶状结构槽6可以削弱低频率点的电流回流现象，上段矩形凹槽和下段矩形凹槽长度均为10mm。
cl>0.25*λ (7)
进一步地，明确其他瓶状凹槽高度。在本实施例中，将贴片两侧刻蚀的所有瓶状凹槽设计为等高。刻蚀多个等高的瓶状凹槽相当于在贴片内部加载多个尺寸一致、阻值相同的电阻，对贴片表面各处的电流回流现象都能产生良好的削弱作用。
参照图2，对实施例中单一瓶状凹槽6的两段矩形槽的宽度进行设计。下段矩形槽的宽度满足四分一波长关系，上段矩形槽的宽度小于下段矩形槽的宽度。本实施例将下端矩形槽宽度设置为5mm，上端矩形宽度设置为3mm。
进一步地，明确其他瓶状凹槽中两段矩形槽的宽度。本实施例中所有瓶状凹槽的宽度相等，保证每个凹槽的面积相等，对贴片表面各位置电流回流抑制效果一致。
参照图2设计相邻瓶状凹槽的间距。本实施例中瓶状凹槽的间距定义为相邻瓶状凹槽的下段矩形槽之间的距离。瓶状凹槽的间距满足四分之一波长关系。为了增加天线在低频处工作的可能性，本实施例将相邻瓶状凹槽的间隔设置为2mm，且每两个瓶状凹槽的距离相等。
进一步地，明确单侧贴片瓶状凹槽的数量。刻蚀多个凹槽相当于在贴片内部加载多个电阻，可以很好地削弱电流回流现象，集中贴片表面的电磁能量，提升辐射效率。根据已经明确的瓶状凹槽底部矩形槽宽度、相邻瓶状凹槽的间距等尺寸，本实施例确定单侧贴片表面刻蚀12个瓶状凹槽。
进一步地，为了使瓶状凹槽对两侧贴片的电流回流现象削弱效果一致，贴片两侧刻蚀的瓶状凹槽的数量一致，位置关于直线y＝W/2对称，W是天线宽度。
实施例3:
本实施例在实施例2的基础上，在天线指数开口槽中间位置加载了多个矩形金属条。电流沿指数渐变线2流经指数贴片后，天线的波束会在指数槽3向外发散，波束的传播方向及路径可能会出现不统一的问题，该问题会影响天线的方向性，特别是天线在高频处的方向性，影响实际成像效果。在指数开口槽3的传播开口处金属条可以在指数开口槽处很好地指引波束的传播。金属条作为波束的引向器，可以提升天线的定向辐射性能与端射特性。
参考图4，对单一金属条7进行设计。本实施例将金属条位置设计在指数开口槽3中间是为了引导波束定向发射的同时，保证两侧主波束的匀称性。经过优化，本实施例确定单一金属条7的长度为8mm，宽度为2mm。
进一步地，确定相邻金属条的间距。金属条之间的距离不宜过大以防止金属条对于波束的引导效果削弱，影响天线的端射方向。因此为保证天线波束平稳辐射，本实施例将相邻金属条的间距设计为2mm。
进一步地，确定金属条数量。金属条数量越多，天线在特定辐射区域内的增益越大，波束中的旁瓣电平会越低，天线的定向性会越强。根据指数贴片开口长度、宽度以及金属条长度、宽度、间距，本实施例中金属条的数量确定为5个。
实施例3中加载的金属条与实施例1中的辐射贴片4和矩形微带线8材料一致。
通过实施例3完成了一种用于医学成像的vivaldi天线的设计。
实施例4：
本实施例使用CST2020对天线进行建模,过程如下：
设计介质基板1。以原点为起点，在空间内绘制长110mm、宽96mm、高0.8mm、材料为FR4的长方体作为介质基板1。基板1长度、宽度、高度方向分别沿x轴正方向、y轴正方向和z轴负方向。
设计辐射贴片4。根据曲线方程y＝0.14*e(0.05*x)+47.8，以(x1,y1)为起点，(x2,y2)为终点，绘制指数渐变线2，将x＝x1、y＝W、指数渐变线2三条线联合、拓宽形成指数贴片，拓宽方向平行于z轴正方向，高度为0.035mm。利用两个指数贴片关于直线y＝W/2对称，绘制另一个指数型贴片。在指数贴片右侧绘制长为x1、宽为W、高为0.035mm、材料为PEC的长方体作为矩形贴片。将两个指数贴片和矩形贴片联合形成辐射贴片4。
设计矩形过渡槽5。在基板顶层x＝x1处绘制长8mm、宽0.5mm、高0.035mm、材料为PEC的长方体。长方体长度、宽度、高度方向分别沿x轴负方向、y轴正方向、z轴正方向。将该长方体从辐射贴片4表面挖除，形成矩形过渡槽5。
设计微带线8。在介质基板1背面d点(12,W)处，绘制长56mm、宽1.5mm、高0.035mm、材料为PEC的长方体作为微带线8。微带线长度、宽度、高度方向分别沿x轴负方向、y轴负方向、z轴反方向。
绘制瓶状凹槽。首先在辐射贴片4表面(19,0)点处绘制长10mm、宽5mm、高0.035mm、材料为PEC的第一段长方体。在该长方体上表面绘制长10mm、宽3mm、高0.035mm、材料为PEC的长方体。将该长方体与第一段长方体联合，联合后形成瓶状结构，该结构关于本身对称。在第一段长方体相距2mm处按照同样的方法绘制第二个瓶状结构，间距方向与x轴正半轴方向一致。不改变瓶状结构每一段尺寸与相邻瓶状结构间距，沿x轴正半轴方向继续绘制10个瓶状结构。利用直线y＝W/2在另一侧贴片表面绘制12个瓶状结构。将贴片两侧的24个瓶状结构从贴片表面挖除，在贴片表面形成24个瓶状凹槽。
绘制金属条。在基板1顶层的指数开口处绘制金属条。在指数开口槽3内部的点(90,48)处绘制长8mm、宽2mm、高0.035mm、材料为PEC的长方体作为首个金属条7，其宽度方向沿x轴正方向，高度方向沿z轴正方向。由于金属条中心点纵坐标位于直线y＝W/2上，所以金属条长度为沿y轴向两侧展开，展开长度分别为金属条长度的一半。在间距2mm处，以同样的尺寸及材料绘制第二个金属条。不改变间距，再绘制3个金属条。上述5个金属条共同起到引导天线波束，提升天线方向性的功能。
利用CST 2020对天线进行仿真。参考图5至图34，对仿真结果进行分析。
图5至图7所示分别为实施例1、实施例2、实施例3中的天线的回波损耗S11图。结果显示，贴片两侧刻蚀瓶状凹槽后，低频处的回波损耗下降，S11曲线更加平滑，谐振点位置降低，谐振点附近的损耗值的突变减小。从图6中看出，刻蚀瓶状凹槽后，天线高频处的回波损耗值受到了影响，部分频率点的损耗值增加。从图7中看出，开口处加载金属条后，天线在高频处的回波损耗值得到了优化。综合来看，通过刻蚀瓶状凹槽和加载金属条，天线在整个频段的回波损耗值得到了优化，S11曲线更加稳定，这会使得在天线工作时，天线本身对信号的衰减程度减小，利用该vivaldi天线组成的成像系统得到的成像效果很得到改善。
图8至图10所示分别为实施例1、实施例2、实施例3中的天线的驻波比VSWR图。从结果中看出，贴片两侧刻蚀瓶状凹槽后，天线在低频处的驻波比更加平稳；天线开口处加载金属条后，天线在高频处的驻波比下降。结合S11结果分析可知，天线贴片刻蚀的瓶状槽延长了电流路径，同时在开口处加载的金属条提升了天线端射性能，使天线在时域和频域均有良好的表现，保证发射、接收的信号不失真。
图11至图13所示分别为实施例1、实施例2、实施例3中的天线的增益图。从结果可以看出，由于贴片刻蚀的瓶状凹槽使天线表面的能量集中，天线的增益曲线变化程度减弱，在低频率处的增益得到提升。加载金属条后，由于辐射波束得到很好的引导，天线在开口处的能量集中，天线在高频点的增益升高，增益曲线更加稳定，同时低频点的增益没有受到过大影响。总体来看，通过贴片表面刻蚀瓶状凹槽及在开口处加载金属条，使天线在整个频段内的增益提高，同时增益变化程度削弱，天线在工作时可以有稳定且数值比较理想的增益，削弱微波成像时外界对于天线的干扰。
图14至图16所示分别为实施例1、实施例2、实施例3中的天线的辐射效率图。由结果可知，贴片两侧加载的瓶状凹槽结构通过抑制电流回流现象，有效提高了天线的辐射效率，特别是3GHz-4GHz频段内的辐射效率。开口处加载金属条后，天线在低频处的效率得到稳定，高频处的辐射效率也有了一点提升。总体来看，本天线的瓶状凹槽结合金属条结构提升了整个频段的辐射效率，使天线有较多的能量辐射至外界，在成像系统中，使用该天线可以保证良好输出结果。
图17至图34所示分别为实施例1、实施例2、实施例3中的天线的方向图。从结果中看出，刻蚀瓶状凹槽后天线方向图的主瓣电平强度增强，副瓣电平强度减弱，半功率波束宽度集中，天线的定向辐射能力增强。开口处加载金属条后，由于金属条对于辐射波束的引导的作用，天线的辐射定向性进一步增强，特别是在高频处，天线方向图的主瓣电平强度明显提升，副瓣电平较刻蚀瓶状凹槽后又有了进一步下降。综合分析，由于本天线对于表面电流回流现象的削弱以及对贴片开口处波束的引导，使得天线波束的辐射方向有了一定的规律，比较稳定，提升了天线在整个频段内的方向性，有利于成像系统中生成更精准的结果。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，包括：
辐射贴片、介质基板和微带线，所述辐射贴片位于介质基板顶层，所述微带线位于介质基板底层，所述辐射贴片表面两侧刻蚀有多个瓶状凹槽，用于削弱电流回流现象。
2.如权利要求1所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，辐射贴片包括指数渐变型贴片和矩形贴片，所述指数渐变型贴片和矩形贴片相连接。
3.如权利要求2所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述指数渐变型贴片设置为两组，两组所述指数渐变型贴片围成的开口槽的中间加载多个金属条，用于改善天线的方向性。
4.如权利要求3所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述两组指数渐变型贴片围成的开口槽包括指数渐变型开口槽和矩形过渡槽。
5.如权利要求4所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述指数渐变型开口槽由两条指数渐变线组成。
6.如权利要求5所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述矩形过渡槽宽度与两条指数渐变线起点间的距离相等。
7.如权利要求6所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述辐射贴片的尺寸与介质基板的尺寸一致，所述辐射贴片的尺寸包括辐射贴片的长度与宽度，所述介质基板尺寸包括介质基板的长度与宽度。
8.如权利要求7所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述瓶状凹槽由两段矩形凹槽组成，所述两段矩形凹槽的宽度不同。
9.如权利要求8所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，所述多个金属条的长度一致，宽度一致。
10.一种用于医学成像的vivaldi天线制作方法，基于权利要求1-9任一项所述的一种用于医学成像的vivaldi天线，其特征在于，包括：
对原始vivaldi天线的介质基板进行绘制，包括在介质基板顶层绘制指数型贴片，在基板顶层绘制矩形过渡槽；
根据矩形过渡槽的宽度确定指数渐变线的渐变率；
绘制矩形贴片，并与指数型贴片连接形成辐射贴片；
绘制馈电线，用于向顶层介质基板耦合传输能量，保证均匀馈电；
在辐射贴片两侧刻蚀瓶状凹槽，以及指数渐变型开口槽；
指数渐变型开口槽中间加载金属条，用于在开口槽处指引波束的传播；
对天线进行建模。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114824773A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-29 | 山东师范大学 | 一种用于超宽带探测的vivaldi天线及其制备方法 |
| CN114914675A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-16 | 中际医学科技(山东)有限公司 | 用于近距离精准探测的宽带和增益可控射频天线 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105337030A (zh) * | 2014-08-08 | 2016-02-17 | 中电科微波通信(上海)有限公司 | Vivaldi天线以及天线装置 |
| CN205543226U (zh) * | 2016-04-13 | 2016-08-31 | 南京信息工程大学 | 应用于超宽带穿墙雷达系统的Vivaldi天线 |
| CN206022610U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-03-15 | 南京长峰航天电子科技有限公司 | 一种小型化Vivaldi天线 |
| CN109088175A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-25 | 钟祥博谦信息科技有限公司 | 一种空间探测用Vivaldi宽带天线阵列系统 |
| CN109301451A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-02-01 | 南京理工大学 | 一种宽带高增益Vivaldi天线 |
| CN109768379A (zh) * | 2017-11-10 | 2019-05-17 | 南京理工大学 | 一种双线极化超宽带紧凑型天线 |
| CN112952357A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-11 | 西安交通大学 | 一种平面组合脉冲辐射天线 |
| CN214043990U (zh) * | 2020-11-17 | 2021-08-24 | 中国移动通信集团江苏有限公司 | 指数渐变型开槽天线和智能终端 |
| CN113410639A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-09-17 | 西安理工大学 | 一种Vivaldi天线 |
-
2021
- 2021-10-22 CN CN202111234010.8A patent/CN114188709A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105337030A (zh) * | 2014-08-08 | 2016-02-17 | 中电科微波通信(上海)有限公司 | Vivaldi天线以及天线装置 |
| CN205543226U (zh) * | 2016-04-13 | 2016-08-31 | 南京信息工程大学 | 应用于超宽带穿墙雷达系统的Vivaldi天线 |
| CN206022610U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-03-15 | 南京长峰航天电子科技有限公司 | 一种小型化Vivaldi天线 |
| CN109768379A (zh) * | 2017-11-10 | 2019-05-17 | 南京理工大学 | 一种双线极化超宽带紧凑型天线 |
| CN109088175A (zh) * | 2018-08-06 | 2018-12-25 | 钟祥博谦信息科技有限公司 | 一种空间探测用Vivaldi宽带天线阵列系统 |
| CN109301451A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-02-01 | 南京理工大学 | 一种宽带高增益Vivaldi天线 |
| CN214043990U (zh) * | 2020-11-17 | 2021-08-24 | 中国移动通信集团江苏有限公司 | 指数渐变型开槽天线和智能终端 |
| CN112952357A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-11 | 西安交通大学 | 一种平面组合脉冲辐射天线 |
| CN113410639A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-09-17 | 西安理工大学 | 一种Vivaldi天线 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114914675A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-16 | 中际医学科技(山东)有限公司 | 用于近距离精准探测的宽带和增益可控射频天线 |
| CN114824773A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-07-29 | 山东师范大学 | 一种用于超宽带探测的vivaldi天线及其制备方法 |
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