Vivaldi天線以及天線裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種Vivaldi天線以及天線裝置，其特征在于，該Vivaldi天線包括：介質(zhì)板，一面具有金屬層作為上表面；漸變槽線，設(shè)置在介質(zhì)板的上表面上，呈喇叭形開口；饋電單元，設(shè)置在介質(zhì)板上，對(duì)漸變槽線進(jìn)行饋電；至少兩個(gè)柵欄，設(shè)置在漸變槽線兩側(cè)，用于讓電流向槽線集中；以及至少一個(gè)引向振子，固定在漸變槽線的開口側(cè)，引導(dǎo)電磁波向著指定輻射方向進(jìn)行傳輸，其中，引向振子的長(zhǎng)度不大于漸變槽線的開口寬度的三分之一。
【專利說明】Vivaldi天線以及天線裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種寬頻帶小型化高增益的Vivaldi天線以及Vivaldi天線裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]步入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活日益現(xiàn)代化和社會(huì)化，對(duì)電子技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求，無論是軍事通信還是民用通信系統(tǒng)，不僅要求高質(zhì)量地傳輸語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，而且要求設(shè)備寬帶化、小型化、高增益。
[0003]天線作為輻射和接收電磁波的裝置，是無線電通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一。在民用通信系統(tǒng)中，特別是軌道交通的自由無線通信系統(tǒng)，其信道容量不斷擴(kuò)充，傳輸距離不斷延長(zhǎng)，為了滿足通信質(zhì)量，往往采用大功率的發(fā)射機(jī)或是將信號(hào)放大后輸入給天線，那么這樣就大大增加了成本。
[0004]Vivaldi天線是一種寬頻帶天線，可以滿足通信系統(tǒng)寬帶化的要求。但是采用Vivaldi天線形式，如果要獲得較高的增益，就必須增大輻射口徑，這勢(shì)必增大天線的體積。而車廂空間是有限的，需要天線的體積越來越小，以便于安裝。
[0005]在電磁波輻射方向添加高介電常數(shù)的介質(zhì)作為引向器，是提高Vivaldi天線增益的有效手段，但是高介電常數(shù)的引向器介質(zhì)損耗大，會(huì)引起電磁波不必要的損耗，并且這樣的天線需要采用兩種不同介電常數(shù)的材料來制造，加工復(fù)雜，成本較高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型是針對(duì)上述問題進(jìn)行的，目的在于提供一種高增益、小型化的寬頻帶Vivaldi天線以及天線裝置。
[0007]本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下的技術(shù)方案:
[0008]〈結(jié)構(gòu)一〉
[0009]本實(shí)用新型提供一種Vivaldi天線，其特征在于，包括:介質(zhì)板，一面具有金屬層作為上表面；漸變槽線，設(shè)置在介質(zhì)板的上表面上，呈喇叭形開口 ；饋電單元，設(shè)置在介質(zhì)板上，對(duì)漸變槽線進(jìn)行饋電；至少兩個(gè)柵欄，設(shè)置在漸變槽線兩側(cè)，用于讓電流向槽線集中；以及至少一個(gè)引向振子，固定在漸變槽線的開口側(cè)，引導(dǎo)電磁波向著指定輻射方向進(jìn)行傳輸，其中，引向振子的長(zhǎng)度不大于漸變槽線的開口寬度的三分之一。
[0010]進(jìn)一步,本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線，還可以具有這樣的特征:其中，柵欄為偶數(shù)個(gè)，按照特定間隔對(duì)向設(shè)置在漸變槽線兩側(cè)，位于同一側(cè)的柵欄按照一定間距排列。
[0011]另外，本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線，還可以具有這樣的特征:其中，引向振子為至少兩個(gè)，且沿著指定輻射方向按照預(yù)定間隔排列。
[0012]另外,本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線,還可以具有這樣的特征:其中，介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.4。
[0013]另外，本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線，還可以具有這樣的特征:引向振子的長(zhǎng)度不大于漸變槽線的開口寬度的五分之一。
[0014]另外,本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線,還可以具有這樣的特征:其中，饋電單元包括:微帶傳輸線，設(shè)置在介質(zhì)板的下表面上，用于傳輸電流；金屬化孔，貫穿介質(zhì)板，將微帶傳輸線與上表面相連；Y形槽線，位于介質(zhì)板的上表面的一端中部；圓形槽線，與Y形槽線相連。
[0015]〈結(jié)構(gòu)二〉
[0016]本實(shí)用新型還提供一種Vivaldi天線裝置，其特征在于，包括:上述任一項(xiàng)所述的Vivaldi天線；和用于防護(hù)該Vivaldi天線的天線罩。
[0017]實(shí)用新型的作用與效果
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線，因?yàn)樵跐u變槽線的兩側(cè)設(shè)置柵欄，改變了金屬層上的電流分布，使電流集中于漸變槽線，電磁波的輻射強(qiáng)度增大，從而使天線的增益提高；同時(shí)，在漸變槽線的開口側(cè)設(shè)置引向振子，引導(dǎo)電磁波的輻射，使天線的增益進(jìn)一步提高，因此該Vivaldi天線可以在保證寬頻帶并且保持天線小型化的同時(shí)有效提高天線的增益。
[0019]另外，在柵欄和引向振子的邊緣會(huì)在縫隙輻射的作用下產(chǎn)生寄生電流，所有寄生電流合成的電場(chǎng)不僅可以增強(qiáng)輻射縫隙前向輻射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉極化電場(chǎng)分量，提高天線抗極化扭曲的能力，從而提高極化純度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1(a)是Vivaldi天線上表面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖1(b)是Vivaldi天線下表面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是Vivaldi天線上表面的局部放大圖；
[0023]圖3是柵欄和引向振子的分布示意圖；
[0024]圖4是Vivaldi天線的原理示意圖；
[0025]圖5是Vivaldi天線裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0026]圖6是Vivaldi天線裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型所涉及的Vivaldi天線以及Vivaldi天線裝置作詳細(xì)闡述。
[0028]<實(shí)施例一 >
[0029]圖1(a)是Vivaldi天線上表面的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)是Vivaldi天線下表面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]如圖1(a)和圖1(b)所示,Vivaldi天線100包括介質(zhì)板101、漸變槽線102、饋電單元103、八個(gè)柵欄104以及三個(gè)引向振子105。
[0031]如圖1(a)所示，在本實(shí)施例中，介質(zhì)板101的尺寸是136mmX 63.9 mmXlmm，介電常數(shù)為4.4，在本實(shí)施例中，為了便于安裝，將介質(zhì)板101的上下三個(gè)角部裁成切角，切角的尺寸僅與安裝單元的尺寸相關(guān)。
[0032]介質(zhì)板101的上表面具有金屬層106,用于傳導(dǎo)電流,在本實(shí)施例中，金屬層106是粘貼在介質(zhì)板101上的銅薄片，金屬層106的長(zhǎng)度是98mm。
[0033]漸變槽線102設(shè)置在介質(zhì)板101的上表面，按照指數(shù)漸變，呈喇叭形開口，它包括左、右兩根對(duì)稱設(shè)置的指數(shù)線。這兩根指數(shù)線的參數(shù)方程都是:y = 1.04e°-0392z-0.89。
[0034]如圖1(a)和圖1(b)所示，饋電單元103用于對(duì)漸變槽線102饋電和阻抗匹配。饋電單元103包括微帶傳輸線107、金屬化孔108、Y形槽線109以及圓形槽線110。微帶傳輸線107固定在介質(zhì)板101的下表面,用于傳輸電流,微帶傳輸線107與金屬層106的材料相同。金屬化孔108貫穿介質(zhì)板101，用于連接微帶傳輸線107和金屬層106，將微帶傳輸線傳輸?shù)碾娏鱾鲗?dǎo)至金屬層106上。Y形槽線109設(shè)置在介質(zhì)板101上表面下端的中部，它的底端與漸變槽線102相連。圓形槽線110與Y形槽線109的右端相連。
[0035]圖2是Vivaldi天線上表面的局部放大圖。
[0036]如圖2所示，Y形槽線109包括三個(gè)矩形槽線111，每個(gè)矩形槽線111的尺寸都為3.5mmX0.3mm。其中一個(gè)矩形槽線111與漸變槽線102相連，另一個(gè)與圓形槽線110相連，圓形槽線110的直徑為4_。
[0037]如圖1(a)和圖1(b)所示，在Vivaldi天線100中，柵欄104被設(shè)置在金屬層106的漸變槽線102的兩側(cè)。在本實(shí)施例中，八個(gè)柵欄104被分成左右兩組，關(guān)于介質(zhì)板101的縱向中心線對(duì)稱設(shè)置在漸變槽線102的兩側(cè)，并按照一定間隔對(duì)向設(shè)置，位于同一側(cè)的四個(gè)柵欄104是按照一定的間距排列。每個(gè)柵欄104都向金屬層106的外側(cè)開口。
[0038]圖3是柵欄和引向振子的分布示意圖。
[0039]如圖3所示，在本實(shí)施例中，位于漸變槽線102同一側(cè)的四個(gè)柵欄104從漸變槽線102的起始端向開口端排列，四個(gè)柵欄104的尺寸依次為20.3mmX5mm> 17.33mmX5mm>
10.33mmX 5mm>7.33mmX 5mm ;相鄰兩個(gè)棚欄104的間距依次為15mm、15mm和10mm,位于漸變槽線102起始端的柵欄104與介質(zhì)板101的邊緣的間距為27mm。兩個(gè)對(duì)向的柵欄104之間的間隔從左往右依次為:23.3mm、29.24mm、43.24mm和49.24mm。
[0040]如圖1(a)和圖1 (b)、3所示，引向振子105被固定在介質(zhì)板101上，位于漸變槽線102的開口側(cè)，用于引導(dǎo)電磁波向如圖3所示的輻射方向進(jìn)行傳輸。在本實(shí)施例中，共設(shè)有三個(gè)引向振子105,沿著電磁波的福射方向排列，引向振子105的材料與金屬層106相同。三個(gè)引向振子105的尺寸均為12mmX5mm,沿著如圖3所示的電磁波的福射方向看,最內(nèi)側(cè)的引向振子105的右邊緣與金屬層106的邊緣的水平距離為1.5mm，位于中間的引向振子105與最內(nèi)側(cè)的引向振子105的中心間距為17mm,最外側(cè)的引向振子105與中間的引向振子105的中心間距為21mm。
[0041]如圖1 (a)和圖1 (b)所示，Vivaldi天線100的介質(zhì)板101上還設(shè)置有五個(gè)安裝孔112,用于Vivaldi天線100的安裝。
[0042]圖4是Vivaldi天線的原理示意圖。
[0043]由槽線的傳輸特性可知，處于匹配狀態(tài)下的槽線，槽寬遠(yuǎn)小于半個(gè)工作波長(zhǎng)，則導(dǎo)播能量被束縛在導(dǎo)體板之間而不會(huì)向外輻射。如圖4所示，槽線的槽寬從左向右不斷增大，W < Wl < W2，當(dāng)槽寬增大到大于半個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)，天線單元向外輻射電磁波或接收電磁波。
[0044]在本實(shí)施例的Vivaldi天線100中，饋電單元103向漸變槽線102饋電,其中微帶傳輸線107傳輸電流,然后通過金屬化孔108傳輸?shù)浇饘賹?06, Y形槽線109與微帶傳輸線107耦合傳輸信號(hào)，圓形槽線110起到阻抗匹配的作用。饋電后電流主要沿著漸變槽線102分布，柵欄104的設(shè)置能夠改變金屬層106上的電流分布，使電流向漸變槽線102集中，從而增大電磁波的輻射強(qiáng)度，增大天線的增益；三個(gè)引向振子105被設(shè)置在電磁波的輻射方向，起到弓I導(dǎo)電磁波的作用，使更多的電磁波向輻射方向輻射，從而進(jìn)一步提高天線的增益。在縫隙輻射的作用下，柵欄104和引向振子105的邊緣會(huì)產(chǎn)生寄生電流，所有寄生電流合成的電場(chǎng)不僅可以增強(qiáng)輻射縫隙前向輻射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉極化電場(chǎng)分量，提高天線抗極化扭曲的能力，從而提高極化純度。
[0045]另外，柵欄104和引向振子105的尺寸和分布通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化確定。
[0046]圓形槽線110和Y形槽線109、金屬化孔108使Vivaldi天線100的輸入阻抗能與電纜特性阻抗50歐姆相匹配，從而在所要求的頻率范圍內(nèi)使天線的輸入阻抗與電纜的特性阻抗相等，從而增加天線的帶寬。
[0047]<實(shí)施例二 >
[0048]圖5是Vivaldi天線裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049]如圖5所示,Vivaldi天線裝置200包括實(shí)施例一中所述的Vivaldi天線100 (圖中未示出)和用于防護(hù)Vivaldi天線100的天線罩201。
[0050]圖6是Vivaldi天線裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]如圖5、6所示，天線罩201包括底座202、罩體203、接地柱204、射頻接頭205以及L形安裝件206a和206b。
[0052]Vivaldi天線100通過與五個(gè)固定孔112相配合的兩個(gè)L形安裝件206a、206b以及五個(gè)固定件(圖中未示出)被安裝固定在底座202上。
[0053]罩體203安裝在底座202上，并罩在Vivaldi天線100周圍，起到防護(hù)作用。如圖1 (a)和圖1 (b)、6所示，為了便于罩體203的安裝，Vivaldi天線100的介質(zhì)板101在靠近罩體203的位置設(shè)置了三個(gè)切角。
[0054]如圖5所示，接地柱204安裝在底座202底部，用金屬物將接地柱204與大地連接起來，就可以起到防雷擊的作用。
[0055]射頻接頭205也安裝在底座202底部，與射頻電纜相連，用于給天線提供高頻信號(hào)(電流)。
[0056]如圖6所示，Vivaldi天線裝置200還包括電纜207，電纜207的一端連接在射頻接頭205上,另一端的內(nèi)導(dǎo)體焊接在Vivaldi天線100的微帶傳輸線107上，外導(dǎo)體焊接在Vivaldi天線100的介質(zhì)板101上，將射頻接頭205輸入的高頻信號(hào)(電流)傳輸?shù)轿鬏斁€107上。
[0057]實(shí)施例的作用與效果
[0058]根據(jù)實(shí)施例一所涉及的Vivaldi天線，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的Vivaldi天線的基礎(chǔ)上,在漸變槽線兩側(cè)設(shè)置向外開口的八個(gè)柵欄，改變金屬層上的電流分布，使電流向漸變槽線集中，增大電磁波的輻射強(qiáng)度；在漸變槽線的開口側(cè)設(shè)置三個(gè)引向振子，引導(dǎo)電磁波的輻射，因此有效地提高了該Vivaldi天線的增益。該Vivaldi天線可以在保持Vivaldi天線寬頻帶、小型化的基礎(chǔ)上，將天線的增益從1dBi提高到12dBi。
[0059]另外，在柵欄和引向振子的邊緣會(huì)在縫隙輻射的作用下產(chǎn)生寄生電流，所有寄生電流合成的電場(chǎng)不僅可以增強(qiáng)輻射縫隙前向輻射能力，而且可以抵消部分由于接地面引起的交叉極化電場(chǎng)分量，提高天線抗極化扭曲的能力，從而提高極化純度。
[0060]根據(jù)實(shí)施例二所涉及的Vivaldi天線裝置，因?yàn)閷ivaldi天線安裝在天線罩內(nèi)，并且設(shè)有接地柱，通過金屬物與大地連接，因此可以在Vivaldi天線的使用過程中起到防水、防腐、防摩擦、防雷擊等作用，提高天線的使用壽命。
[0061]當(dāng)然，以上實(shí)施例僅為本實(shí)用新型構(gòu)思下的基本說明，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0062]另外，Vivaldi天線中的柵欄和引向振子還可以設(shè)置為其他的尺寸和個(gè)數(shù)，也能在一定程度上提高天線的增益，但不如實(shí)施例一的技術(shù)效果好。
[0063]另外，在實(shí)施例一中，金屬層是粘貼在介質(zhì)板上的銅薄片，金屬層還可以鍍是介質(zhì)板上的一層金屬鍍層。
【權(quán)利要求】
1.一種Vivaldi天線,其特征在于,包括: 介質(zhì)板，一面具有金屬層作為上表面； 漸變槽線，設(shè)置在所述介質(zhì)板的所述上表面上，呈喇叭形開口 ； 饋電單元，設(shè)置在所述介質(zhì)板上，對(duì)所述漸變槽線進(jìn)行饋電； 至少兩個(gè)柵欄，設(shè)置在所述漸變槽線兩側(cè)，用于讓電流向槽線集中；以及至少一個(gè)引向振子，固定在所述漸變槽線的開口側(cè)，引導(dǎo)電磁波向著指定輻射方向進(jìn)行傳輸， 其中，所述引向振子的長(zhǎng)度不大于所述漸變槽線的開口寬度的三分之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線,其特征在于: 其中，所述柵欄為偶數(shù)個(gè)，按照特定間隔對(duì)向設(shè)置在所述漸變槽線兩側(cè)，位于同一側(cè)的所述柵欄按照一定間距排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線,其特征在于: 其中，所述引向振子為至少兩個(gè)，且沿著所述指定輻射方向按照預(yù)定間隔排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線,其特征在于: 其中，所述介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線,其特征在于: 其中，所述引向振子的長(zhǎng)度不大于所述漸變槽線的開口寬度的五分之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Vivaldi天線,其特征在于: 其中，所述饋電單元包括:微帶傳輸線，設(shè)置在所述介質(zhì)板的下表面上，用于傳輸電流；金屬化孔，貫穿所述介質(zhì)板，將所述微帶傳輸線與所述上表面相連；γ形槽線，位于所述介質(zhì)板的所述上表面的一端中部；圓形槽線，與所述Y形槽線相連。
7.—種Vivaldi天線裝置,其特征在于,包括: 權(quán)利要求1?6中任一項(xiàng)所述的Vivaldi天線；和 用于防護(hù)所述Vivaldi天線的天線罩。
【文檔編號(hào)】H01Q13/02GK204088564SQ201420456532
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】莫智超, 印小忠, 陳俊華, 徐凡, 楊?；? 馬常彪 申請(qǐng)人:中電科微波通信(上海)有限公司