CN115810915A - 天线介质基板设计绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线介质基板设计绘制方法，涉及天线介质基板设计的技术领域，包括建立三维立体坐标系，以坐标原点为基准点建立设计绘制介质基板为长方体；在介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片；以指数曲线贴片与矩形贴片的交点为起点，在矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽，其高边沿垂直于XY平面的Z轴正方向延伸至介质基板底层连接设计绘制微带线。以上设计目的首先是解决天线低频段工作范围要求尺寸较大问题，因为大尺寸天线在近距离探测中会产生失焦，同时给天线制作与携带造成麻烦。其次，在保证天线尺寸小型化的条件下，改善天线低频段的工作性能，包括有效带宽和天线增益，提高近距离探测的精度和灵敏度。

Description

天线介质基板设计绘制方法

技术领域

本发明涉及天线设计的技术领域，尤其是涉及一种天线介质基板设计绘制方法。

背景技术

随着微波探测技术应用的不断发展，探测带宽不断拓展。天线作为发射信号和接受回波信号的界面，它的性能对探测效果至关重要。天线设计，包括带宽、增益、损耗、方向，以适应实际应用需求引起研究者的关注。

基于Vivaldi结构的超宽带射频天线是一种带有指数曲线渐变槽的行波天线。低剖面天线的整体尺寸与天线的工作频率有关。对于传统的Viavldi天线而言，较低的工作频率，对应天线尺寸较大。但是，天线尺寸增大对近距离探测会引起失焦；同时也不利于天线的加工，并会造成实际应用中携带不方便的问题。此外，还有更重要的一点，天线馈电后，天线两侧边缘产生电涡流现象，造成射频信号辐射能量散失，回波损耗增加，增益减小，天线波瓣方向性能改变的情况。因此，如何设计低频段范围天线尺寸小型化，如何改善天线低频段工作性能，成为应用超宽带射频天线进行近距离高精度探测亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线介质基板设计绘制方法，以缓解了低频段工作的天线尺寸较大，不利于近距离探测的技术问题，并在保证天线尺寸小型化的条件下，改善天线低频段工作性能，包括有效带宽和增益，达到提高近距离探测的精度和灵敏度。

第一方面，本发明实施例提供了一种天线介质基板设计绘制方法，所述方法包括：

建立三维立体坐标系，以坐标原点为基准点建立设计绘制介质基板长方体，包括介质基板顶层和底层两个相同的平行矩形设计绘制平面，分别从原点沿X轴正向延伸为矩形的长边，从原点沿Y轴正向延伸为矩形的宽边；所述介质基板长方体的高边从介质基板顶层原点沿z轴负方向延伸垂直于介质基板顶层矩形设计绘制平面；

在所述介质基板顶层绘制射频信号辐射贴片，其中，所述射频信号辐射贴片包括指数曲线贴片和矩形贴片；所述指数曲线贴片尺寸根据给出的指数曲线方程结合所述介质基板长方体的长边长度解算得出；所述矩形贴片的长度与所述介质基板长方体的宽边长度一致，所述矩形贴片的宽度沿X轴正方向延伸，直至与所述指数曲线贴片相连接；

以所述指数曲线贴片与矩形贴片的交点为起点，在所述矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽，其长边沿X轴负方向延伸，宽边沿Y轴负方向延伸。从矩形过渡槽起点沿垂直于XY平面的Z轴正方向延伸至所述介质基板底层；

在所述介质基板底层设计绘制微带线。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：

在所述指数曲线贴片上以所述矩形设计绘制平面宽边中点沿X轴为基准中线，对称设计绘制预设个数的矩形开口槽，各个所述矩形开口槽向X轴正方向延伸分布，其中，每个所述矩形开口槽的长度沿Y轴延伸，各个所述矩形开口槽之间的长度差值为第一设计数值，各个所述矩形开口槽的间距为第二设计数值，各个所述矩形开口槽的宽度为第三设计数值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，建立坐标系，根据介质基板顶层和底层两个相同的平行矩形设计绘制平面，分别从原点沿X轴正向延伸为矩形的长边，从原点沿Y轴正向延伸为矩形的宽边的步骤，包括：

分别通过以下公式进行确定所述介质基板的长边与宽边：

L>0.5×λ_max

W>0.5×λ_max

其中，L为所述介质基板的长度，W为所述介质基板的宽度，λ_max为天线最低工作截止频率的波长。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在所述介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片的步骤，包括：

将所述矩形贴片的长边沿y轴正方向延伸，直至所述矩形贴片的长度与所述矩形介质基板的宽度一致；

以坐标原点为起点，沿X轴正方向延伸至第四设计数值确定所述矩形贴片的宽度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在所述介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片的步骤，还包括：

以所述矩形贴片的宽度，作为矩形贴片的边界线；

根据所述边界线、所述给定指数曲线方程和所述介质基板的长边进行围合，再沿z轴正方向延伸得到所述指数曲线贴片。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述指数曲线为以所述介质基板的宽边中线对称的两条指数曲线，所述指数曲线y通过以下公式解算：

y＝a×e^b×x+c

b＝(1/L)×ln(W/sw)

其中，a、c为所述指数渐变线的常数系数，b为所述指数渐变线的渐变率，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述指数渐变线的起始点坐标和终点坐标，L为所述天线的长度，W为所述天线的宽度，sw为所述矩形过渡槽的宽度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，以所述指数曲线与所述矩形贴片的交点为起点，在所述矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽的步骤，包括：

以所述指数曲线与所述矩形贴片的边界线的交点为起点，在所述射频信号辐射贴片上设计开挖出矩形过渡槽，所述矩形过渡槽长边沿X轴负方向延伸至第五设计数值，宽边沿Y轴负方向延伸至第六设计数值，高边沿Z轴正方向延伸至第七设计数值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述微带线为长方体。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，在所述介质基板底层设计绘制微带线的步骤，包括：

以向X轴正方向延伸第八设计数值和向y轴正正方向延伸所述介质基板底层矩形的宽边，确定为起点；

基于所述起点，沿X轴正方向延伸至第九设计数值确定所述微带线的宽度，沿Y轴负方向延伸至第十设计数值确定所述微带线的长度，沿Z轴负方向延伸至第十一设计数值确定所述微带线的高度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述微带线的长度大于所述介质基板的宽度的二分之一。

本发明实施例提供了一种天线介质基板设计绘制方法，通过建立坐标系，设计绘制介质基板，再分别在介质基板的顶层和底层设计绘制射频信号辐射贴片和微带线；该辐射贴片中刻蚀有矩形过渡槽，该矩形过渡槽可与该微带线进行耦合馈电，还对辐射贴片表面的电流起到束缚作用，通过上述方式绘制制作的天线能够解决低频段工作的天线尺寸较大不利于近距离探测时产生失焦的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种天线介质基板设计绘制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种用于近距离探测的宽带和增益可控射频天线的正面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于近距离探测的宽带和增益可控射频天线的背面示意图；

图4为天线的回波损耗S11结果图；

图5所示为天线的驻波比VSWR结果图；

图6所示为天线的增益图；

图7所示为天线的辐射效率图；

图8为天线在频率3GHz的E面方向图；

图9为天线在频率4GHz的E面方向图；

图10为天线在频率5GHz的E面方向图；

图11为天线在频率3GHz的H面方向图；

图12为天线在频率4GHz的H面方向图；

图13为天线在频率5GHz的H面方向图。

图标：1-介质基板；2-指数渐变线；3-指数开口槽；4-矩形过渡槽；5-辐射贴片；6-矩形开口槽；7-微带线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图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做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。

目前的超宽带射频天线在工作频段的低频处，天线在某频率点会出现谐振，而为了保证天线低频段的工作范围，天线尺寸就会较大，影响生产和携带。且超宽带射频天线Vivaldi天线馈电后，其辐射贴片表面电流存在回流现象，会增大天线的回波损耗，降低方向性，影响辐射性能。

基于此，本发明实施例提供的一种天线介质基板设计绘制方法，可以绘制制作出保证天线低频段工作性能，且尺寸小型化的天线。首先解决天线低频段工作范围要求尺寸较大问题，因为大尺寸天线在近距离探测中会产生失焦，同时给天线制作与携带造成麻烦。其次，在保证天线尺寸小型化的条件下，改善天线低频段的工作性能，包括有效带宽和天线增益，提高近距离探测的精度和灵敏度。

下面通过实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种天线介质基板设计绘制方法流程图。

参照图1，该方法包括以下步骤：

步骤S102，建立坐标系，以坐标原点为起点绘制介质基板1，如图2所示。

其中，介质基板1为长方体，长方体的长边L沿X轴正半轴延伸，长方体的宽边W沿y轴正半轴延伸，长方体的高边z轴负半轴延伸；需要说明的是，z轴方向为穿过纸面朝上，图2中未示出。

步骤S104，在介质基板1顶层绘制辐射贴片5，辐射贴片5如图2中阴影部分所示。

其中，辐射贴片5包括指数贴片和矩形贴片；指数贴片根据预设曲线方程和长方体的长边进行绘制；矩形贴片的长度与长方体的宽边一致，矩形贴片的宽度沿X轴正半轴延伸，直至与指数贴片相连接。

步骤S106，以预设曲线方程与矩形贴片的交点为起点，在矩形贴片上绘制矩形过渡槽4。

其中，矩形过渡槽4的长边沿X轴负半轴延伸，矩形过渡槽4的宽边沿y轴负半轴延伸，矩形过渡槽4的高边z轴正半轴延伸。

步骤S108，在介质基板1底层绘制微带线7，其中，微带线7如图3所示。

在实际应用的优选实施例中，通过建立坐标系，绘制介质基板1，再分别在介质基板1的顶层和底层绘制辐射贴片5和微带线7；该辐射贴片5中刻蚀有矩形过渡槽4，该矩形过渡槽4可与该微带线7进行耦合馈电，还对辐射贴片5表面的电流起到束缚作用，通过上述方式绘制制作的天线能够缓解低频段工作的天线尺寸较大不利于生产与携带的技术问题。

需要说明的是，本发明实施例建立三维立体坐标系，以坐标原点为基准点建立设计绘制介质基板长方体，包括根据介质基板顶层和底层两个相同的平行矩形设计绘制平面，分别从原点沿X轴正向延伸为矩形的长边，从原点沿Y轴正向延伸为矩形的宽边；介质基板长方体的高边从介质基板顶层原点沿z轴负方向延伸垂直于介质基板顶层矩形设计绘制平面；在介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片，其中，射频信号辐射贴片包括指数曲线贴片和矩形贴片；指数曲线贴片尺寸根据给出的指数曲线方程结合介质基板长方体的长边长度解算得出；矩形贴片的长度与介质基板长方体的宽边长度一致，矩形贴片的宽度沿X轴正方向延伸，直至与指数曲线贴片相连接；以指数曲线贴片与矩形贴片的交点为起点，在矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽，其长边沿X轴负方向延伸，宽边沿Y轴负方向延伸；从矩形过渡槽起点沿垂直于XY平面的Z轴正方向延伸至介质基板底层；在介质基板底层设计绘制微带线。以上设计目的首先是解决天线低频段工作范围要求尺寸较大问题，因为大尺寸天线在近距离探测中会产生失焦，同时给天线制作与携带造成麻烦。其次，在保证天线尺寸小型化的条件下，改善天线低频段的工作性能，包括有效带宽和天线增益，提高近距离探测的精度和灵敏度。

在一些实施例中，在辐射贴片5上刻蚀多个矩形开口槽6，以削弱贴片表面电流回流，并将辐射能量进行集中，示例性地，上述方法还包括：

在所述指数贴片上以介质基板1长方体的宽边中线为基准，对称绘制预设个数的矩形开口槽6，各个所述矩形开口槽6向X轴正半轴延伸分布，其中，每个所述矩形开口槽6的长度沿y轴延伸，各个所述矩形开口槽6之间的长度差值为第一设计数值，各个所述矩形开口槽6的间距为第二设计数值，各个所述矩形开口槽6的宽度为第三设计数值。

作为一种可选的实施例，上述矩形开口槽6的尺寸，即长度、宽度和高度可分别通过以下公式确定，包括：

矩形开口槽6的长度通过以下公式确定：

其中，l为矩形开口槽6的长度，ε为介质基板1的介电常数，λ为当前频率的波长。

矩形开口槽6的宽度通过以下公式确定：

其中，dw为矩形开口槽6的宽度，ε为介质基板1的介电常数，λ为当前频率的波长。

矩形开口槽6之间的间距通过以下公式确定：

dww<0.25×λ

其中，dww为矩形开口槽6之间的间距，λ为当前频率的波长。

示例性地，绘制天线两侧的矩形开口槽6。在介质基板1顶层，以(40，0)为起点，绘制长40mm，宽为5mm(第三设计数值)，高为0.035mm的第一矩形开口槽6，该长方体材料设置为理想导电体，高度方向沿z轴正半轴。在间隔2mm(第二设计数值)处，绘制长为38mm，宽为5mm，(第三设计数值)高为0.035mm的第二矩形开口槽6，材料与高度方向与首个长方体一致，间隔绘制方向沿X轴正半轴。以此类推，不改变长方体的材料、宽度与长方体的间隔，沿X轴正半轴，以2mm(第一设计数值)为长度差，再绘制7个长方体。优选地，介质基板1长方体的宽边中线每侧可设置9个矩形开口槽6，利用挖取功能将9个矩形开口槽6从贴片表面挖除，在贴片表面形成沿指数线渐变方向长度线性递减、等宽度、等间距的9个矩形开口槽6。利用镜像对称功能，以介质基板1宽边中线y＝W/2为对称轴，在另一半辐射贴片5表面形成同样的9个矩形开口槽6。

需要说明的是，设计矩形开口槽6宽度及间距时，可根据当前天线的应用频率对矩形开口槽6的尺寸进行调整。本实施例选用的均是天线的最低频率。矩形开口槽6宽度取值对于谐振频率不会影响过大，但为了加载更多矩形开口槽6，对指数渐变线2内侧电流回流产生更好的抑制作用，矩形开口槽6的宽度设置为5mm，间距设置为2mm。

进一步地，可明确本实施例中每一侧贴片开槽的数量。开槽数量不同相当于在天线表面加载多个阻值不同的电阻，可对天线在不同频率点的回波损耗、增益、方向性等进行改善。结合矩形开口槽6的宽度及槽间距，本实施例中天线每一侧刻蚀多个矩形开口槽6，优选地，每侧设置的矩形开口槽6可围9个。刻蚀矩形开口槽6后的天线辐射贴片5表面的电路路径得以延长，解决了电流回流及尺寸变化带来的天线性能影响。

在一些实施例中，天线整体尺寸设计包括天线长度的设计、天线宽度的设计以及天线高度的设计。为了达到良好的回波损耗特性及电压驻波比，保证天线的辐射效率、增益及方向性，减小天线时域信号的失真。示例性地，步骤S102，还包括：

分别通过以下公式进行确定所述介质基板1的长边与宽边：

L>0.5×λ_max

W>0.5×λ_max

其中，L为所述介质基板1的长边，W为所述介质基板1的宽边，λ_max为当天线工作频率点取最低截止频率时的最大天线波长。

作为一种可选的实施例，从小型化的角度，经过优化分析，该天线长度可优选为10mm，天线宽度可优选为96mm，以保证天线在工作频段的低频谐振点。

示例性地，该步骤S102中绘制介质基板1，以(0，0，0)点为起点，在空间内绘制长10mm，宽96mm，高0.8mm、材料为FR-4的长方体介质体，作为介质基板1。其中，基板长度沿X轴正半轴绘制，基板宽度沿y轴正半轴绘制，基板高度沿z轴负半轴绘制，如图2所示。

其中，预设曲线方程为以长方体的宽边中线进行对称的两条指数渐变线2，该指数曲线(指数渐变线)y通过以下公式表示：

y＝a×e^b×x+c

b＝(1/L)×ln(W/sw)

其中，a、c为所述指数渐变线2的常数系数，b为所述指数渐变线2的渐变率，(x1，y1)、(x2，y2)分别为所述指数渐变线2的起始点坐标和终点坐标，L为所述天线的长度，W为所述天线的宽度，sw为所述矩形过渡槽4的宽度。

需要说明的是，该渐变率b决定了指数渐变线2的倾斜程度。

在一些实施例中，指数渐变线2的长度决定经过矩形过渡槽4后的电流的传播路径。

由于电流流过辐射贴片5表面的矩形过渡槽4后会沿着指数开口槽3边缘继续流向天线开口处，因此，指数渐变线2的长度决定了经过矩形过渡槽4后的电流的传播路径。

而指数渐变线2的终点横坐标根据介质基板1的尺寸能够确定，x₂取值为基板的长度10mm，因此电流在指数贴片上的传播路径主要受指数渐变线2的起始点横坐标x₁决定。在本实施例中，经过优化分析，指数渐变线2起始点横坐标可优选为x₁为13mm。指数渐变线2的终点的纵坐标决定了指数贴片的开口宽度。指数贴片开口过大，会影响电流传播，开口处的电流聚集难度增加。开口宽度过小会影响天线辐射的主波束。经过优化分析，指数渐变线2终点纵坐标可优选为y₂为82mm，根据图形对称原理，可计算指数贴片的开口宽度为68mm。由所述矩形过渡槽4设计，指数渐变线2的起始点纵坐标为y₁为48.25mm。基于该指数渐变线2的起始点和终点坐标，代入前述公式，能够确定常数系数a为0.14，c为47.98。再根据参数a，b，c可以确定该指数渐变线2方程为y＝0.14×exp(0.05×x)+47.98(x₁≤x≤L)，结合对称性质，可以设计两个指数型辐射贴片5，如图2所示。

在一些实施例中，基于该预设曲线方程，上述实施例中的步骤S104，可通过以下步骤实现，包括：

步骤1.1)，将所述矩形贴片的长度沿y轴正半轴延伸，直至所述矩形贴片的长度达到所述介质基板1长方体的宽边。

步骤1.2)，以坐标原点为起点，沿x轴正半轴延伸至第四设计数值确定所述矩形贴片的宽度。

其中。以(0，0，0)坐标原点为起点，绘制长度为W，宽度为x1(第四设计数值)的矩形贴片。该矩形贴片长度沿y轴正半轴绘制，宽度沿x轴正半轴绘制。将矩形贴片沿z轴正半轴拓展为立体结构，形成高度为0.035mm的矩形贴片，贴片材料设置为理想导电体。将两个指数贴片与矩形贴片联合形成介质基板1顶层完整的辐射贴片5。

步骤1.3)，以所述矩形贴片的宽度，作为矩形贴片的边界线。

步骤1.4)，根据所述边界线、所述预设曲线方程和所述长方体的长边进行围合，再沿z轴正半轴延伸得到所述指数贴片。

其中，根据预设曲线方程y＝0.14×exp(0.05x)+47.98，(x1≤x≤L)在介质基板1顶层绘制指数渐变线2。将边界线x＝x1(y≤y1≤W)、长方体长边y＝W(x≤x1≤L)、指数渐变线2联合沿z轴正半轴拓展为立体结构，形成高度为0.035mm的指数贴片，贴片材料设置为理想导电体。利用镜像功能，以介质基板1的宽边中线y＝W/2为对称轴，形成另一个指数贴片。

在一些实施例中，步骤S106，包括：

步骤2.1)，以所述预设曲线方程与所述矩形贴片的边界线的交点为起点，利用挖取功能将长边沿x轴负半轴延伸第五设计数值，宽边沿y轴负半轴延伸第六设计数值，高边z轴正半轴延伸第七设计数值的矩形过渡槽4，从所述辐射贴片5中挖除。

示例性地，绘制矩形过渡槽4。以(x1，y1)为起点，绘制长为9mm(第五设计数值)，宽为0.5mm(第六设计数值)的矩形，长度沿x轴负半轴绘制，宽度沿y轴负半轴绘制。将矩形沿z轴正半轴拓展为立体结构，高度为0.035mm(第七设计数值)，材料为理想导电体。利用挖取功能将该立体结构从辐射贴片5中挖除，形成矩形过渡槽4。

在一些实施例中，所述微带线7为长方体，步骤S108还可通过以下步骤实现，包括：

步骤3.1)，以向x轴正半轴延伸第八设计数值和向y轴正半轴延伸所述长方体的宽边，确定起点。

步骤3.2)，基于所述起点，沿x轴正半轴延伸第九设计数值确定所述微带线7的宽度，沿y轴负半轴延伸第十设计数值确定所述微带线7的长度，沿z轴负半轴延伸第十一设计数值确定所述微带线7的高度。

示例性地，绘制矩形微带线7。在介质基板1底层边缘，以x＝12mm为起点，绘制长为56mm(第十设计数值)，宽为1.2mm(第九设计数值)的矩形。将矩形沿z轴负半轴拓展为高0.035mm(第十一设计数值)的立体结构形成微带线7。微带线7材料设置为理想导电体。

其中，所述微带线7的长度大于所述介质基板1的宽边的二分之一。

需要说明的是，优选的耦合位置应位于矩形过渡槽4位置附近且微带线7长度应大于介质基板1的宽边的二分之一。经过优化分析，可优选该矩形微带线7的长度为56mm。

本发明实施例，通过在辐射贴片5上开取矩形过渡槽4、多个矩形开口槽6和一个指数开口槽3，能够延长电流路径，削弱辐射贴片5的表面电流回流，并将辐射能量集中于指数开口槽3，改善了天线在低频处的方向性，增强了主波束，减小了副瓣，改善了辐射性能，提升了增益。与此同时，该矩形过渡槽4在与微带线7耦合后，还对辐射贴片5表面的电流起到束缚作用，进而缓解低频段工作的天线尺寸较大不利于生产与携带的技术问题。

在一些实施例中，可通过对上述方式绘制制作的天线进行模拟仿真，以得到性能测试结果：

1、回波损耗S11

图4所示为天线的回波损耗S11结果图。S11反映天线的发射性能。结果得出，天线在2.5-8.2GHz频段内的S11数值低于-10dB。在该频段内回波损耗小，较多的能量从天线辐射开口处对外辐射后不再被发射天线接收，说明天线在该频段内的发射性能良好。天线的谐振点位于3.5GHz处，谐振点频率低，且谐振点附近的S11曲线较为圆滑。总体而言，开槽结构延长了电流传播路径，使天线贴片表面的电流回流现象削弱，电流能够沿着指数线稳定流向开口处，天线的回波损耗也因此较低且稳定。低损耗特性使天线适用于超宽带雷达。

2、驻波比VSWR

图5所示为天线的驻波比VSWR结果图。VSWR反应天线馈线和天线的阻抗匹配情况。从结果中可以看出，天线在2.5-8.2GHz频段内的VSWR数值低于2，曲线比较稳定。在该频段内大部分能量可以从天线辐射出去，天线馈线与天线的匹配情况良好，可以提升超宽带雷达性能。

3、天线增益

图6所示为天线的增益图。天线的增益描述一个天线把输入输出功率集中辐射的程度，用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。从结果中可以看出，天线在2.5-8.2GHz内有较高的增益，其中在4GHz处增益可以达到9dBi。在该频段内，增益变化曲线波动小，天线拥有比较稳定的增益。总体而言，天线两侧刻蚀的矩形开口槽通过制电流回流，使贴片表面的能量集中，天线因此拥有高且稳定的增益，在超宽带雷达的应用中可以保证信号失真程度小，提升效率。

4、辐射效率

图7所示为天线的辐射效率图。天线的辐射效率直观反映了天线的辐射能力。从结果中可以看出，天线在2.5GHz-8.2GHz频段内的辐射效率高于50％，特别是在2.5GHz-5GHz频率范围内，天线的辐射效率可以达到70％以上，3GHz处的辐射效率接近80％。虽然辐射效率曲线呈现先上升后下降的趋势，但总体而言，天线两侧刻蚀矩形开口槽使天线的辐射效率较好且稳定，有利于保证系统的工作性能。

5、辐射方向

图8至图10所示为天线的E面方向图，图11至图13所示为天线的H面方向图。方向图反映了天线的方向性。从结果可以看出，天线在3-5GHz内方向图主瓣比例大，副瓣比例小，波束宽度集中。在该频段内，随着频率上升，主瓣电平先上升后下降，4GHz处的主瓣电平最高，在E面和H面均可以达到10.3dB。3GHz处天线的E面和H面方向图副瓣低，说明天线在低频处方向性好。总体而言，天线两侧刻蚀矩形开口槽有效集中了贴片表面电流，使天线辐射时能量能够集中在指数开口处，增强了主波束的强度，提升了天线的定向辐射性能。

在一些实施例中，本发明实施例还提供一种天线绘制装置，包括：

第一绘制模块，建立坐标系，以坐标原点为起点绘制介质基板，其中，所述介质基板为长方体，所述长方体的长边沿x轴正半轴延伸，所述长方体的宽边沿y轴正半轴延伸，所述长方体的高边z轴负半轴延伸；

第二绘制模块，在所述介质基板顶层绘制辐射贴片，其中，所述辐射贴片包括指数贴片和矩形贴片；所述指数贴片根据预设曲线方程和所述长方体的长边进行绘制；所述矩形贴片的长度与所述长方体的宽边一致，所述矩形贴片的宽度沿x轴正半轴延伸，直至与所述指数贴片相连接；

第三绘制模块，以所述预设曲线方程与所述矩形贴片的交点为起点，在所述矩形贴片上绘制矩形过渡槽，其中，所述矩形过渡槽的长边沿x轴负半轴延伸，所述矩形过渡槽的宽边沿y轴负半轴延伸，所述矩形过渡槽的高边z轴正半轴延伸；

第四绘制模块，在所述介质基板底层绘制微带线。

在一些实施例中，本发明实施例提供的一种天线绘制装置，还包括第五绘制模块，在所述指数贴片上以所述长方体的宽边中线为基准，对称绘制预设个数的矩形开口槽，各个所述矩形开口槽向x轴正半轴延伸分布，其中，每个所述矩形开口槽的长度沿y轴延伸，各个所述矩形开口槽之间的长度差值为第一设计数值，各个所述矩形开口槽的间距为第二设计数值，各个所述矩形开口槽的宽度为第三设计数值。

本发明实施例提供的天线绘制装置，与上述实施例提供的天线介质基板设计绘制方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本发明实施例的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线介质基板设计绘制方法天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，所述方法包括：

建立三维立体坐标系，以坐标原点为基准点建立设计绘制介质基板长方体，包括根据介质基板顶层和底层两个相同的平行矩形设计绘制平面，分别从原点沿X轴正向延伸为矩形的长边，从原点沿Y轴正向延伸为矩形的宽边；所述介质基板长方体的高边从介质基板顶层原点沿z轴负方向延伸垂直于介质基板顶层矩形设计绘制平面；

在所述介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片，其中，所述射频信号辐射贴片包括指数曲线贴片和矩形贴片；所述指数曲线贴片尺寸根据给出的指数曲线方程结合所述介质基板长方体的长边长度解算得出；所述矩形贴片的长度与所述介质基板长方体的宽边长度一致，所述矩形贴片的宽度沿X轴正方向延伸，直至与所述指数曲线贴片相连接；

以所述指数曲线贴片与矩形贴片的交点为起点，在所述矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽，其长边沿X轴负方向延伸，宽边沿Y轴负方向延伸；从矩形过渡槽起点沿垂直于XY平面的Z轴正方向延伸至所述介质基板底层；

在所述介质基板底层设计绘制微带线。

2.根据权利要求1所述的天线介质基板设计绘制方法天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述指数曲线贴片上以所述矩形设计绘制平面宽边中点沿X轴为基准中线，对称设计绘制预设个数的矩形开口槽，各个所述矩形开口槽向X轴正方向延伸分布，其中，每个所述矩形开口槽的长度沿Y轴延伸，各个所述矩形开口槽之间的长度差值为第一设计数值，各个所述矩形开口槽的间距为第二设计数值，各个所述矩形开口槽的宽度为第三设计数值。

3.根据权利要求1所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，根据介质基板顶层和底层两个相同的平行矩形设计绘制平面，分别从原点沿X轴正向延伸为矩形的长边，从原点沿Y轴正向延伸为矩形的宽边的步骤，包括：

分别通过以下公式进行确定所述介质基板的长度与宽度：

L>0.5×λ_max

W>0.5×λ_max

其中，L为所述介质基板的长度，W为所述介质基板的宽度，λ_max为天线最低工作截止频率的线波长。

4.根据权利要求1所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，在所述介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片的步骤，包括：

将所述矩形贴片的长边沿y轴正方向延伸，直至所述矩形贴片的长度与所述介质基板的宽度一致；

以坐标原点为起点，沿X轴正方向延伸至第四设计数值确定所述矩形贴片的宽度。

5.根据权利要求4所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，在所述介质基板顶层设计绘制射频信号辐射贴片的步骤，还包括：

以所述矩形贴片的宽度，作为矩形贴片的边界线；

根据所述边界线、所述指数曲线方程和所述介质基板的长边进行围合，再沿z轴正方向延伸得到所述指数曲线贴片。

6.根据权利要求1所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，所述指数曲线为以所述介质基板的宽边中线对称的两条指数曲线，所述指数曲线y通过以下公式解算：

y＝a×e^b×x+c

b＝(1/L)×ln(W/sw)

其中，a、c为所述指数曲线的常数系数，b为所述指数曲线的渐变率，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)分别为所述指数曲线的起始点坐标和终点坐标，L为所述天线的长度，W为所述天线的宽度，sw为所述矩形过渡槽的宽度。

7.根据权利要求5所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，以所述指数曲线与所述矩形贴片的交点为起点，在所述矩形贴片上设计绘制矩形过渡槽的步骤，包括：

以所述指数曲线与所述矩形贴片的边界线的交点为起点，在所述射频信号辐射贴片上设计开挖出矩形过渡槽，所述矩形过渡槽长边沿X轴负方向延伸至第五设计数值，宽边沿Y轴负方向延伸至第六设计数值，高边沿Z轴正方向延伸至第七设计数值。

8.根据权利要求1-7任一项所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，所述微带线为长方体。

9.根据权利要求8所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，在所述介质基板底层设计绘制微带线的步骤，包括：

以向X轴正方向延伸第八设计数值和向y轴正正方向延伸所述介质基板底层矩形的宽边，确定为起点；

基于所述起点，沿X轴正方向延伸至第九设计数值确定所述微带线的宽度，沿Y轴负方向延伸至第十设计数值确定所述微带线的长度，沿Z轴负方向延伸至第十一设计数值确定所述微带线的高度。

10.根据权利要求9所述的天线介质基板设计绘制方法，其特征在于，所述微带线的长度大于所述介质基板底层矩形宽度的二分之一。

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