CN206558683U - 一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，包括分别设置在介质板两侧面的金属辐射槽线和金属微带线，金属辐射槽线包括平行槽线以及设置在平行槽线两端的圆形槽线和指数渐变槽线，平行槽线和金属微带线在介质板面的投影相互交叉；介质板沿天线主轴辐射方向加载圆形介质板，同轴接头通过金属微带线馈电。通过金属微带线和扇型金属微带板组成馈电结构，通过圆形槽线谐振腔调节阻抗匹配、平行槽线耦合、指数渐变槽线引导电磁波的辐射；通过加载圆形介质板改善天线的辐射特性和主极化方向图的对称性。本实用新型的结构简单，制作方便，成本低，在超宽带、高增益、低交叉极化的天线中具有很强的实用性和广泛的适用性，尤其适用于无线通信系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种天线，具体涉及一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线。
背景技术
天线在无线电设备中主要起着发射或者接收电磁波的作用，是无线电技术设备中不可缺少的一部分。近年来随着现代通信速度地不断提升，超宽带技术已经逐渐彰显其优点，这使得天线在带宽范围内具有良好的辐射特性。UWB无线通信具有信道容量较大、发射信号功率低、发射接收设备简单等优点，应用广泛，但它也对传统的电磁场与电路理论提出了新的挑战。其中，作为UWB系统射频端出入口的天线模块设计，已经成为目前的研究热点。Vivaldi天线作为经典的超宽带端射行波天线，今年来也得不到不少国内外学者的深入研究与设计。
实用新型内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种定向、对称、高增益的加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，包括分别设置在介质板两侧面的金属辐射槽线和金属微带线，
所述金属辐射槽线包括平行槽线以及设置在平行槽线两端的圆形槽线和
指数渐变槽线，平行槽线和金属微带线在介质板面的投影相互交叉；
所述介质板沿天线主轴辐射方向加载圆形介质板，
同轴接头通过金属微带线馈电。
上述金属微带线顶部通过阻抗变换带接微带馈线。
上述金属微带线底部接扇型金属微带板。
上述金属微带线为“┓”型。
上述平行槽线和金属微带线在介质板面的投影相互垂直。
上述金属辐射槽线和圆形介质板关于辐射方向对称。
上述金属辐射槽线的腔外为覆盖介质板面的金属辐射板。
上述圆形介质板的直径与指数渐变槽线的开口宽度相等，圆形介质板的圆心距离介质板的距离为H2。
上述指数渐变槽线包括关于辐射方向对称的上侧渐变槽线段和下侧渐变槽线段，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，上侧渐变槽线段的起点为终点为线型为：
其中，x和y(x)分别为指数渐变槽线上各点对应的x坐标和y坐标，Ws为平行槽线的宽度，T为渐变槽线段的开口宽度，H为指数渐变槽线的长度。上述介质板为矩形，长度H1为70mm，宽度T1为70mm，厚度thick为1mm；圆形介质板的直径T为35mm，圆心至介质板边缘的距离H2为10mm；金属微带板、金属辐射槽线、金属微带线、金属辐射板、阻抗变换带、微带馈线上的金属厚度copper_thick均为36um；
指数渐变槽线的长度H为40mm，开口宽度T为35mm；
平行槽线的宽度Ws为1.2mm；
圆形槽线的直径Ds为6mm；
微带馈线的长度L2为1.6mm，宽度W_50为1.9mm；
金属微带线的横向长度L3为9.2mm，竖直长度L1为13.4mm，宽度Wm为0.7mm；
阻抗变换带的长度L_taper为15mm；
扇型金属微带板的半径Rsx为5.3mm，圆心角Angle为90°，
金属微带线竖直中心距离平行槽线的一端长度L_TA为4.55mm，距离平行槽线的另一端长度L_TC为1.44mm。
本实用新型的有益之处在于：
本实用新型的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线为平面线极化天线，采用了加载圆形介质板的Vivaldi天线结构，在70mm×70mm×1mm的FR4介质板上实现，通过在天线主轴辐射方向加载圆形介质板，进而改善天线的辐射特性和主极化方向图的对称性。
本实用新型的馈电结构由金属微带线和扇型金属微带板组成，维瓦尔第天线是由槽线激励，其馈电通过电磁耦合来实现。该天线采用微带线到槽线的馈电方式，把微带线的能量耦合到槽线中去。
圆形槽线起圆形谐振腔作用，可调节天线的阻抗匹配；平行槽线起耦合作用，可影响电磁波的传输情况；再通过指数渐变槽线引导电磁波的辐射。
本实用新型的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，结构简单，制作方便，成本低，在超宽带、高增益、低交叉极化的天线设计中具有较大的实用价值，具有很强的实用性和广泛的适用性，尤其适用于无线通信系统中。
附图说明
图1为本实用新型的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线的结构示意图
图2为本实用新型的电压驻波比曲线图
图3为本实用新型的增益曲线图
图4为本实用新型的交叉极化比曲线图
图5为本实用新型在2GHz频点处的方向图
图6为本实用新型在6.5GHz频点处的方向图
图7为本实用新型在11GHz频点处的方向图
附图中标记的含义如下：1、介质板，2、圆形介质板，3、微带馈线，4、阻抗变换带，5、金属微带线，6、扇型金属微带板，7、圆形槽线，8、平行槽线，9、指数渐变槽线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
如图1所示，为本实用新型的结构示意图。
一种加载圆形介质板2的宽带维瓦尔第天线，包括分别印制在介质板1两侧面的金属辐射槽线和金属微带线5，沿天线主轴辐射方向加载圆形介质板2，同轴接头通过金属微带线5馈电。
金属辐射槽线和圆形介质板2关于辐射方向对称；金属辐射槽线由圆形槽线7、平行槽线8和指数渐变槽线9构成，形成金属辐射槽线腔，进一步的，根据实际使用需求，腔内为金属辐射板，或腔外为覆盖介质板1面的金属辐射板。
圆形槽线7相当于圆形谐振腔，可调节天线的阻抗匹配。实际实验和应用中，常常选用50Ω同轴或微带线作为馈电方式，因此槽线阻抗匹配的目的是将天线等效阻抗调节为50Ω。
指数渐变槽线9包括关于辐射方向对称的上侧渐变槽线段和下侧渐变槽线段，上侧指数渐变槽线9和下侧指数渐变槽线9的外端分别向介质板1的上下两侧展开，形成喇叭口。
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，上侧渐变槽线段的起点为终点为线型为：
其中，x和y(x)分别为指数渐变槽线9上各点对应的x坐标和y坐标，Ws为平行槽线8的宽度，T为渐变槽线段的开口宽度，H为指数渐变槽线9的长度。
金属微带线5为“┓”型，顶部横端通过阻抗变换带4接微带馈线3，底部接扇型金属微带板6。
平行槽线8和金属微带线5在介质板1面的投影相互垂直。
圆形介质板2的直径与指数渐变槽线9的开口宽度相等，圆形介质板2的圆心距离介质板1的距离为H2。
基于Ansoft HFSS电磁仿真软件对微带线长度、阻抗变换带4、扇型金属微带板6、圆形谐振腔和圆形介质板2的各参数进行设计和优化，最后确定整个天线的结构关键参数如下：
介质板1为矩形，长度H1为70mm，宽度T1为70mm，厚度thick为1mm；圆形介质板2的直径T为35mm，圆心至介质板1边缘的距离H2为10mm；金属微带板、金属辐射槽线、金属微带线5、金属辐射板、阻抗变换带4、微带馈线3上的金属厚度copper_thick均为36um；指数渐变槽线9的长度H为40mm，开口宽度T为35mm；平行槽线8的宽度Ws为1.2mm；圆形槽线7的直径Ds为6mm；微带馈线3的长度L2为1.6mm，宽度W_50为1.9mm；金属微带线5的横向长度L3为9.2mm，竖直长度L1为13.4mm，宽度Wm为0.7mm；阻抗变换带4的长度L_taper为15mm；扇型金属微带板6的半径Rsx为5.3mm，圆心角Angle为90°，金属微带线5竖直中心距离平行槽线8右端的长度L_TA为4.55mm，距离平行槽线8左端L_TC的长度为1.44mm。
如图2所示，为本实用新型的电压驻波比曲线图，在仿真频段2-11GHz频率范围内，电压驻波比VSWR均小于2.5；在2.1-10.9GHz频率范围内，电压驻波比VSWR小于2。
如图3所示，为本实用新型的增益曲线图，在仿真频段2-11GHz频率范围内，增益为0.2-8.5dB，在8.3GHz频点处达到最高增益8.5dB。
如图4所示，为本实用新型的交叉极化比曲线图，在仿真频段2-11GHz频率范围内，交叉极化比均小于-15.0dB。
如图5-7所示，为本实用新型在2GHz、6.5GHz和12GHz三个频点处的方向图，黑色曲线为主极化方向图，灰色曲线为交叉极化的方向图。可以明显看出，该天线的主极化方向图具有较好的良好的对称性和定向性，且增益峰值偏移角度较小。在2GHz、6.5GHz和12GHz的交叉极化比分别为-29.5dB、-20.3dB和-15.0dB。
综上所述，该天线在2.1-10.9GHz频率范围内，电压驻波比VSWR小于2，阻抗带宽达到8.8GHz。在阻抗带宽范围内，最高增益为8.5dB，交叉极化比均小于-15.0dB，方向图具有较好的良好的对称性和定向性，且增益峰值偏移角度较小。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，包括分别设置在介质板两侧面的金属辐射槽线和金属微带线，
所述金属辐射槽线包括平行槽线，以及设置在平行槽线两端的圆形槽线和指数渐变槽线，平行槽线和金属微带线在介质板面的投影相互交叉；
所述介质板沿天线主轴辐射方向加载圆形介质板，
同轴接头通过金属微带线馈电。
2.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述金属微带线顶部通过阻抗变换带接微带馈线。
3.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述金属微带线底部接扇型金属微带板。
4.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述金属微带线为型。
5.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述平行槽线和金属微带线在介质板面的投影相互垂直。
6.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述金属辐射槽线和圆形介质板关于辐射方向对称。
7.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述金属辐射槽线的腔外为覆盖介质板面的金属辐射板。
8.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述圆形介质板的直径与指数渐变槽线的开口宽度相等，圆形介质板的圆心距离介质板的距离为H2。
9.根据权利要求1所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述指数渐变槽线包括关于辐射方向对称的上侧渐变槽线段和下侧 渐变槽线段；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，上侧渐变槽线段的起点为终点为线型为：
其中，x和y(x)分别为指数渐变槽线上各点对应的x坐标和y坐标，Ws为平行槽线的宽度，T为渐变槽线段的开口宽度，H为指数渐变槽线的长度。
10.根据权利要求1-9的任一项所述的一种加载圆形介质板的宽带维瓦尔第天线，其特征在于，所述介质板为矩形，长度H1为70mm，宽度T1为70mm，厚度thick为1mm；
圆形介质板的直径T为35mm，圆心至介质板边缘的距离H2为10mm；
金属微带板、金属辐射槽线、金属微带线、金属辐射板、阻抗变换带、微带馈线上的金属厚度copper_thick均为36um；
指数渐变槽线的长度H为40mm，开口宽度T为35mm；
平行槽线的宽度Ws为1.2mm；
圆形槽线的直径Ds为6mm；
微带馈线的长度L2为1.6mm，宽度W_50为1.9mm；
金属微带线的横向长度L3为9.2mm，竖直长度L1为13.4mm，宽度Wm为0.7mm；
阻抗变换带的长度L_taper为15mm；
扇型金属微带板的半径Rsx为5.3mm，圆心角Angle为90°，
金属微带线竖直中心距离平行槽线的一端长度L_TA为4.55mm，距离平行槽线的另一端长度L_TC为1.44mm。
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