CN205429156U - 一种新型小型化Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型小型化Vivaldi天线，其是一种中心频点为5.4GHz、驻波比小于2的阻抗带宽为4GHz、增益6.55dB、交叉极化比为‑24.59dB的新型Vivaldi天线，该天线还具有体积小、馈电简单、辐射效率高的特点，能够适于民用无线通信领域、无线局域网(RLAN)、固定无线接入系统(FWA)、WiMAX和IEEE 802.11a无线网络，具有良好的应用前景，值得推广。
Description
技术领域
本实用新型属于天线技术领域，特别涉及一种新型小型化Vivaldi天线。
背景技术
Vivaldi天线是一种通过微带传输线把能量耦合到天线贴片上并辐射的行波缝隙天线，具有宽频带、高增益等特性，并由于辐射定向性好、结构简单、价格低廉等优点而被重视。Vivaldi天线是最早由Gibson于1979年提出的槽线端射式行波天线，其槽线是按照指数渐变而张开，形成类似喇叭口的形状，向外辐射或接收电磁波，由于不同部分辐射不同频率的电磁波，在理论上该天线具有很宽工作带宽，所以它适合作为脉冲信号的发射天线。Vivaldi天线一般是由微带、带状线或者同轴等传输线形式将能量引入，通过电褪耦合或介质耦合方式，将馈电传输线与辐射槽线进行能量转换，电磁波通过槽线向自由空间传递，通常在槽线终端采用圆形腔作为短路终端，而微带终端采用扇形支节作为开路终端，以实现整个馈电部分的宽带匹配。由于辐射场型对称和高增益的优点，也常应用于无线通信和微波成像中。然而以往天线的体积大、馈电难、辐射效率低、频段不适于民用无线通信领域，因此需要进一步研究。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种新型小型化Vivaldi天线，其是一种中心频点为5.4GHz、驻波比小于2的阻抗带宽为4GHz、增益6.55dB、交叉极化比为-24.59dB的新型Vivaldi天线，该天线还具有体积小、馈电简单、辐射效率高的特点，能够适于民用无线通信领域、无线局域网(RLAN)、固定无线接入系统(FWA)、WiMAX和IEEE802.11a无线网络，具有良好的应用前景，值得推广。
为解决上述问题，本实用新型具体采用以下技术方案：
一种中心新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，包括介质板、金属导体层以及金属微带馈线，所述金属导体层、金属微带馈线分别印制在介质板的两侧，所述金属导体层关于辐射方向对称，所述金属导体层上刻有槽线，所述槽线包括圆形槽线、平行槽线以及指数渐变槽线，所述槽线的两侧设有若干条等间隔分布的Y形缝隙，所述Y形缝隙的高度沿着圆形槽线向指数渐变槽线方向等差递减。
前述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，所述金属微带馈线的端部为扇形。
前述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，所述金属微带馈线包括依次连接的水平部分和竖直部分，所述扇形设置在竖直部分的端部。
前述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，指数渐变槽线包括上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段分别向介质板的上下两侧展开，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段对称设置。
前述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，介质板长度为30mm，介质板宽度为30mm，介质板厚度为1mm，金属导体层、金属微带馈线的厚度均为18um，指数渐变槽线的长度为3.5mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度为28.3mm，平行槽线的宽度为0.6mm，圆形槽线直径为3.8mm，金属微带馈线水平部分的长度为8.85mm，金属微带馈线水平部分的宽度为2.5mm，金属微带馈线竖直部分上边缘到平行槽线的距离为3.2mm，金属微带馈线竖直部分下边缘到平行槽线的距离为0mm，金属微带馈线竖直部分的宽度为1mm，金属微带馈线中扇形结构的半径为4.1mm，扇形结构开口角度为90°，金属微带馈线竖直部分中心距离平行槽线右端的长度为3.15mm，金属微带馈线垂直部分中心距离平行槽线左端的长度为2mm，Y形缝隙的宽度为0.49mm，每个Y形缝隙的枝节长度为1.87mm，相邻Y形缝隙间距为2.6mm，Y形缝隙的等差渐变长度为1.46mm，最左端Y形缝隙到介质板左边缘的长度为6.9mm，最左端Y形缝隙不包括枝节的高度为8.26mm。
此外，其中指数渐变槽线计算公式为：
以上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段起点之间的中心点为原点构建直角坐标系，x为指数渐变槽线上各点对应的x坐标，表示指数渐变槽线上的点到纵轴y轴的距离，纵轴即为f(x)，为指数渐变槽线，即为指数渐变槽线上各点的y坐标，Ws为平行槽线的宽度，T为上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度，H为指数渐变槽线的长度，上侧渐变槽线段起点坐标为终点坐标为
本实用新型的有益效果：本实用新型提供的一种新型小型化Vivaldi天线，通过在常规Vivaldi天线辐射贴片两侧加载Y形缝隙的方法，将天线表面电流汇聚于槽线附近，使天线的辐射特性明显提高，改善天线的阻抗匹配特性，展宽天线带宽，提高天线的增益，增强天线端射效果，天线的尺寸实现了小型化。仿真设计中，通过调整Y形缝隙的数目、宽度、等差渐变长度、Y形缝隙张角以及位置等，有效地改善了天线的增益。
附图说明
图1为现有技术中Vivaldi天线的结构示意图；
图2为本实用新型的一种新型小型化Vivaldi天线的结构示意图；
图3为本实用新型的驻波比仿真结果示意图；
图4为本实用新型的增益仿真结果示意图；
图5为本实用新型的交叉极化比仿真结果示意图；
图6为本实用新型的驻波比实测结果示意图；
图7为本实用新型的增益实测结果示意图；
图8为本实用新型的交叉极化比实测结果示意图。
附图标记含义如下：
1：介质板；2：金属导体层；3：金属微带馈线；4：圆形槽线；5：平行槽线；6：指数渐变槽线；7：Y形缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。
如图2所示，一种新型小型化Vivaldi天线，包括介质板1、金属导体层2以及金属微带馈线3，所述金属导体层2、金属微带馈线3分别印制在介质板1的两侧，所述金属导体层2设置在介质板正面，且关于辐射方向对称，所述金属导体层2上刻有具有指数函数曲线的槽线，所述槽线包括圆形槽线4、平行槽线5以及指数渐变槽线6，第一段圆形槽线4相当于谐振腔，起着天线阻抗匹配的作用，第二段平行槽线5起耦合作用，主要影响电磁波的传输情况，第三段为指数渐变槽线6，对电磁波的辐射起引导作用，指数渐变槽线6包括上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段的外端分别向介质板1的上下两侧展开，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段上下对称，所述槽线的两侧设有若干条等间隔分布的Y形缝隙7，所述Y形缝隙7的高度沿着圆形槽线4向指数渐变槽线6方向等差递减，介质板1反面金属微带馈线3通过电磁耦合把能量耦合到槽线中去，其终端一般为扇形结构，起终端负载匹配作用，金属微带馈线3通过该介质板向槽线耦合馈电，所述金属微带馈线3包括依次连接的水平部分和竖直部分，所述扇形设置在竖直部分的端部。
根据Gibson提出的Vivaldi天线指数模型公式:f(x)＝±(c1eRx+c2)，以上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段起点之间的中心点为原点构建直角坐标系，x为指数渐变槽线上各点对应的x坐标，表示指数渐变槽线上的点到纵轴y轴的距离，纵轴即为f(x)，为指数渐变槽线，即为指数渐变槽线上各点的y坐标，R为指数函数的渐变率，c1和c2为系数，设计本实用新型天线指数渐变槽线6方程为同样，以上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段起点之间的中心点为原点构建直角坐标系，x为指数渐变槽线上各点对应的x坐标，表示指数渐变槽线上的点到纵轴y轴的距离，纵轴即为f(x)，为指数渐变槽线，即为指数渐变槽线上各点的y坐标，Ws为平行槽线的宽度，T为上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度，H为指数渐变槽线的长度，上侧渐变槽线段起点坐标为终点坐标为
实际运用时，可设计尺寸为：介质板长度Hz为30mm，介质板宽度Tz为30mm，介质板厚度thick为1mm，金属导体层、金属微带馈线的铜皮厚度copper_thick均为18um，指数渐变槽线的长度H为3.5mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度T为28.3mm，平行槽线的宽度Ws为0.6mm，圆形槽线直径Ds为3.8mm，金属微带馈线水平部分的长度L3为13.85mm，金属微带馈线水平部分的宽度W为2.5mm，金属微带馈线竖直部分上边缘到平行槽线的距离L2为3.2mm，金属微带馈线竖直部分下边缘到平行槽线的距离L1为0mm，金属微带馈线竖直部分的宽度Wm为1mm，金属微带馈线中扇形结构的半径Rsx为4.1mm，扇形结构开口角度Angle为90°，金属微带馈线竖直部分中心距离平行槽线右端的长度L_TA为3.15mm，金属微带馈线垂直部分中心距离平行槽线左端L_TC的长度为2mm，Y形缝隙的宽度a2为0.49mm，每个Y形缝隙的枝节长度b2为1.87mm，相邻Y形缝隙间距lc为2.6mm，Y形缝隙的等差渐变长度b3为1.46mm，最左端Y形缝隙到介质板左边缘的长度Lx为6.9mm，最左端Y形缝隙不包括枝节的高度h1为8.26mm。
图3为驻波比仿真结果示意图，在3.7-8GHz频率范围内，驻波比小于2，主辐射方向为xoz面，E面为yoz面，H面为xoy面。
图4为增益仿真结果示意图，在5.4GHz的增益为6.82dB，在3.8-8GHz频率范围内，增益均大于3dB。
图5为交叉极化比仿真结果示意图，仿真得到的中心频率5.4GHz处的E面辐射图，可以看出交叉极化比为-22.16-6.44＝-28.6dB。
图6为驻波比实测结果示意图，使用矢量网络分析仪测试天线的驻波比参数，测试结果表明：驻波比小于2的带宽BW＝(5.4-3.4)×2＝4.0GHz，实测结果与仿真结果基本吻合。
图7为增益实测结果示意图，中心工作频率5.4GHz处的增益为6.55dB，实测结果与仿真结果基本吻合。
图8为交叉极化比实测结果示意图，测试结果表明：天线辐射方向的主极化为6.55dBm，交叉极化为-18.04dBm，天线辐射方向的交叉极化比为24.59dB，由于无法达到0.01mm的加工精度，所以实测结果相对仿真结果略有差异。
该平面线极化天线使用了一个开有Y形缝隙的Vivaldi天线结构，在30mm×30mm×1mm的Rogers 4003C基板上实现，整个结构简单，制作方便，成本低。设计过程中使用了HFSS电磁仿真软件对平面线极化天线的驻波比、增益和交叉极化比进行仿真，经过一些列电磁参数优化之后确定各个电磁参数的尺寸。然后，使用Altium Designer软件进行该天线的PCB版图的绘制，并加工实物。最后，使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪测试驻波比，在微波暗室里测量天线的方向图，从而求出中心频率处的增益和交叉极化比。结果表明：经过仿真设计时准确的匹配和实物加工后的微调，该平面线极化天线驻波比小于2的阻抗带宽为4.0GHz，中心工作频率5.4GHz处的增益为6.55dB，天线辐射方向的交叉极化比为-24.59dB。
综上，由于金属辐射贴片的表面电流不是很集中，为将其更好地约束到渐变槽线附近，在不改变原天线设计尺寸的前提下，通过在天线金属辐射贴片两侧对称开多条不同长度Y形缝隙，进而增强金属槽线的辐射特性，改善后的整个天线辐射为Y形缝隙的辐射和渐变开槽处辐射的叠加，进而增强金属槽线的辐射特性。由于两种辐射都有端射效果，使得天线增益增大，端射效果改善明显。仿真设计中，通过调整缝隙的数目、缝隙的宽度、缝隙的等差渐变长度、Y形缝隙张角和位置等，有效地改善了天线的增益。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，包括介质板、金属导体层以及金属微带馈线，所述金属导体层、金属微带馈线分别印制在介质板的两侧，所述金属导体层关于辐射方向对称，所述金属导体层上刻有槽线，所述槽线包括圆形槽线、平行槽线以及指数渐变槽线，所述槽线的两侧设有若干条等间隔分布的Y形缝隙，所述Y形缝隙的高度沿着圆形槽线向指数渐变槽线方向等差递减。
2.根据权利要求1所述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，所述金属微带馈线的端部为扇形。
3.根据权利要求2所述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，所述金属微带馈线包括依次连接的水平部分和竖直部分，所述扇形设置在竖直部分的端部。
4.根据权利要求3所述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，指数渐变槽线包括上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段分别向介质板的上下两侧展开，所述上侧渐变槽线段、下侧渐变槽线段对称设置。
5.根据权利要求4所述的一种新型小型化Vivaldi天线，其特征在于，介质板长度为30mm，介质板宽度为30mm，介质板厚度为1mm，金属导体层、金属微带馈线的厚度均为18um，指数渐变槽线的长度为3.5mm，上侧渐变槽线段与下侧渐变槽线段的外侧开口的宽度为28.3mm，平行槽线的宽度为0.6mm，圆形槽线直径为3.8mm，金属微带馈线水平部分的长度为13.85mm，金属微带馈线水平部分的宽度为2.5mm，金属微带馈线竖直部分上边缘到平行槽线的距离为3.2mm，金属微带馈线竖直部分下边缘到平行槽线的距离为0mm，金属微带馈线竖直部分的宽度为1mm，金属微带馈线中扇形结构的半径为4.1mm，扇形结构开口角度为90°，金属微带馈线竖直部分中心距离平行槽线右端的长度为3.15mm，金属微带馈线垂直部分中心距离平行槽线左端的长度为2mm，Y形缝隙的宽度为0.49mm，每个Y形缝隙的枝节长度为1.87mm，相邻Y形缝隙间距为2.6mm，Y形缝隙的等差渐变长度为1.46mm，最左端Y形缝隙到介质板左边缘的长度为6.9mm，最左端Y形缝隙不包括枝节的高度为8.26mm。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN105826667A (zh) * | 2016-03-15 | 2016-08-03 | 南京信息工程大学 | 一种新型小型化Vivaldi天线 |
| CN107681265A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-02-09 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 一种基于Vivaldi天线的宽带双极化探头天线 |
| CN109818140A (zh) * | 2017-11-22 | 2019-05-28 | 中国船舶重工集团公司第七二三研究所 | 一种基片金属组合Vivaldi相控阵天线 |
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2016
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