CN201017991Y - 一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线 - Google Patents

Abstract

一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线，它涉及一种超宽带天线，为了克服以往天线的体积大、馈电难、辐射效率低、频段不适于民用无线通信领域的缺陷。本实用新型由介质板和金属导体层组成，所述的金属导体层上设有上侧渐变槽线段和下侧渐变槽线段，金属导体层附于介质板的正板，介质板的背板的一侧设有微带馈电线，微带馈电线为二级馈电竖向结构，金属导体层上的上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段的内端分别与圆形槽线谐振腔相连接。本实用新型的Vivaldi天线的频段为3.1～10.6GHz，能够适于民用无线通信领域，同时所设计的Vivaldi天线还具有体积小、馈电简单、辐射效率高的特点。

Description

一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线

技术领域

本实用新型涉及一种超宽带天线。

背景技术

UWB天线不能仅仅从其带宽来衡量其是否适合于UWB信号的传输，还要对其时域特性进行考虑。这些特性决定了不能用传统的方法来设计UWB天线系统，必须探索新的设计方法和经验。

从20世纪40年代开始，各国的理论和技术研究人员对应用到民用领域的UWB天线开始了深入的研究，设计出了许多性能良好的UWB天线。特别是从20世纪60年代以后，随着各种电磁问题的数值方法的不断成熟和完善，UWB天线的理论研究和改进设计也不断的发展。UWB天线的结构也越发复杂多样，早期的UWB天线结构主要是立体结构，如双锥天线、扇形偶极子天线等。这些天线存在体积大、馈电难、辐射效率低等缺点。随着微波集成电路的发展，UWB贴片天线不断发展起来，如微带天线、槽线天线等。这些天线特别是槽线天线结构简单，平面结构，非常有利于便携通信设备中的应用。同时还有利用光刻技术，制成毫米波、亚毫米波段的UWB集成天线。现有的槽线天线设计了1.2GHz～7.5GHz的Vivaldi天线并应用到测量系统中，但还没有设计适合3.1～10.6GHz频段的槽线天线，同时并没有推广到民用无线通信领域。

实用新型内容

为了克服以往天线的体积大、馈电难、辐射效率低、频段不适于民用无线通信领域的缺陷，本实用新型提供了一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线。

本实用新型由介质板和金属导体层组成，所述的金属导体层上设有上侧渐变槽线段和下侧渐变槽线段，金属导体层附于介质板的正板，介质板的背板的一侧设有微带馈电线，微带馈电线为二级馈电竖向结构，金属导体层上的上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段的内端分别与圆形槽线谐振腔相连接，上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段的外端分别向介质板的上下两侧展开，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段上下对称，微带馈电线的内端为耦合馈电点，耦合馈电点的上端连接一级微带馈电线，一级微带馈电线的上端连接二级微带馈电线；所述的圆形谐振腔与介质板背板之间的距离L_G为1.61mm，圆形谐振腔的直径D_sl为8.91mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的内侧宽度W_SL为1.19mm，圆形谐振腔到耦合馈电点的距离L_TC为1.28mm，耦合馈电点到下侧渐变槽线段的距离L_TA为16.11mm，一级微带馈电线的宽度W_ST1为2.22mm，二级微带馈电线的宽度W_ST2为4.84mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的指数渐变率R为0.03mm-1，介质板的长度d为165.70mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的开口长度L为137.90mm，微带馈电线上端的扇形短截线的开口角度A_R为88°，微带馈电线上端的扇形短截线的半径R_R为4.75mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度H为90.00mm，介质板的宽度b为100.00mm。

本实用新型的Vivaldi天线的频段为3.1～10.6GHz，能够适于民用无线通信领域，同时所设计的Vivaldi天线还具有体积小、馈电简单、辐射效率高的特点。Vidaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的行波天线。它有很宽的频带，它是一种高增益、线极化天线，它有很宽的频带。它还具有良好的时域特性，时域接收波形具有非色散特性。

附图说明

图1是本实用新型的附有金属导体层的正板的结构示意图，图2是本实用新型的设有微带馈电线的背板的结构示意图，图3是本实用新型的几何结构参数示意图，图4是测试后的S11参数图，图5是测量辐射方向图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式由介质板1和金属导体层2组成，所述的金属导体层2上设有上侧渐变槽线段2-1和下侧渐变槽线段2-2，金属导体层2附于介质板1的正板，介质板1的背板的一侧设有微带馈电线3，微带馈电线3为二级馈电竖向结构，金属导体层2上的上侧渐变槽线段2-1、下侧渐变槽线段2-2的内端分别与圆形槽线谐振腔2-3相连接，上侧渐变槽线段2-1、下侧渐变槽线段2-2的外端分别向介质板1的上下两侧展开，上侧渐变槽线段2-1与下侧渐变槽线段2-2上下对称，微带馈电线3的内端为耦合馈电点3-1，耦合馈电点3-1的上端连接一级微带馈电线3-2，一级微带馈电线3-2的上端连接二级微带馈电线3-3；所述的圆形谐振腔2-3与介质板1背板之间的距离L_G为1.61mm，圆形谐振腔2-3的直径D_sl为8.91mm，上侧渐变槽线段2-1与下侧渐变槽线段2-2的内侧宽度W_SL为1.19mm，圆形谐振腔2-3到耦合馈电点3-1的距离L_TC为1.28mm，耦合馈电点3-1到下侧渐变槽线段2-2的距离L_TA为16.11mm，一级微带馈电线3-2的宽度W_ST1为2.22mm，二级微带馈电线3-3的宽度W_ST2为4.84mm，上侧渐变槽线段2-1与下侧渐变槽线段2-2的指数渐变率R为0.03mm^-1，介质板1的长度d为165.70mm，上侧渐变槽线段2-1与下侧渐变槽线段2-2的开口长度L为137.90mm，微带馈电线3上端的扇形短截线的开口角度A_R为88°，微带馈电线3上端的扇形短截线的半径R_R为4.75mm，上侧渐变槽线段2-1与下侧渐变槽线段2-2的外侧开口的宽度H为90.00mm，介质板1的宽度b为100.00mm。采用侧馈电的方式有助于加工和测量。对圆型槽线谐振腔和槽线的开口等尺寸参数进行了这样的优化设计，使其工作频率在3.1～10.6GHz。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式，本实施方式中一级微带馈电线3-2为阻抗变换段，其它组成及连接关系同具体实施方式一。设置阻抗变换段能够宽展频带宽度。

上述实施方式的Vivaldi天线的工作频段在3.1～10.6GHz内，它的辐射效率为98.06％、增益为11.45dB、主瓣电平为11.4dB、副瓣电平为-7.7dB、3dB波束宽度为36.6°。对本实用新型进行了S11参数的测量，其参数图为图4，得到的结论是：

(1)小于-10dB的测量带宽为BW＝f_H-f_L＝10.91-2.965＝7.945GHz，相对带宽为 ${\mathrm{BW}}_r=2\frac{f_H-f_L}{f_H+f_L}=\frac{7.945}{6.938}=114.5\%,$ 比仿真带宽要小1.3GHz，但也远远满足FCC规定的带宽要求。

(2)在2GHz～6GHz低频段的测试结果与仿真结果基本吻合，在8GHz～11GHz高频段测试结果没有仿真结果完美。经过分析，由于Vivaldi天线槽线渐变的最窄处直接影响高频段辐射性能，在加工过程中，小尺寸的误差较大，所以产生这种现象。

上述实施方式的Vivaldi超宽带天线在3GHz频点测量的天线的标准接收最大值为-74.63dBm、待测天线接收最大值-67.13dBm、待测天线增益9.5dB(见图5)。从时域波形来看，本实用新型的Vivaldi天线电场信号的脉冲延续时间约为0.5ns，正板与背板信号幅度波动为反射信号造成的振铃效应。并且，振铃效应较小。该天线基本符合UWB天线所要求的时域特性。

Claims (2)

1.一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线，它由介质板(1)和金属导体层(2)组成，其特征在于所述的金属导体层(2)上设有上侧渐变槽线段(2-1)和下侧渐变槽线段(2-2)，金属导体层(2)附于介质板(1)的正板，介质板(1)的背板的一侧设有微带馈电线(3)，微带馈电线(3)为二级馈电竖向结构，金属导体层(2)上的上侧渐变槽线段(2-1)、下侧渐变槽线段(2-2)的内端分别与圆形槽线谐振腔(2-3)相连接，上侧渐变槽线段(2-1)、下侧渐变槽线段(2-2)的外端分别向介质板(1)的上下两侧展开，上侧渐变槽线段(2-1)与下侧渐变槽线段(2-2)上下对称，微带馈电线(3)的内端为耦合馈电点(3-1)，耦合馈电点(3-1)的上端连接一级微带馈电线(3-2)，一级微带馈电线(3-2)的上端连接二级微带馈电线(3-3)；所述的圆形谐振腔(2-3)与介质板(1)背板之间的距离L_G为1.61mm，圆形谐振腔(2-3)的直径D_sl为8.91mm，上侧渐变槽线段(2-1)与下侧渐变槽线段(2-2)的内侧宽度W_SL为1.19mm，圆形谐振腔(2-3)到耦合馈电点(3-1)的距离L_TC为1.28mm，耦合馈电点(3-1)到下侧渐变槽线段(2-2)的距离L_TA为16.11mm，一级微带馈电线(3-2)的宽度W_ST1为2.22mm，二级微带馈电线(3-3)的宽度W_ST2为4.84mm，上侧渐变槽线段(2-1)与下侧渐变槽线段(2-2)的指数渐变率R为0.03mm-1，介质板(1)的长度d为165.70mm，上侧渐变槽线段(2-1)与下侧渐变槽线段(2-2)的开口长度L为137.90mm，微带馈电线(3)上端的扇形短截线的开口角度A_R为88°，微带馈电线(3)上端的扇形短截线的半径R_R为4.75mm，上侧渐变槽线段(2-1)与下侧渐变槽线段(2-2)的外侧开口的宽度H为90.00mm，介质板(1)的宽度b为100.00mm。

2.根据权利要求1所述的一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线，其特征在于所述的一级微带馈电线(3-2)为阻抗变换段。

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