一款用于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶Vivaldi天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶Vivaldi天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代無(wú)線通訊技術(shù)發(fā)展迅速，信號(hào)頻帶資源趨于緊張，為了滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的軍用 需求和民用需求，各類(lèi)微波器件的工作頻帶逐漸向高頻拓寬。適用于復(fù)雜高頻環(huán)境的超寬 帶(UWB)技術(shù)，相對(duì)于窄帶技術(shù)，又具有低功耗，高精度，高速率的明顯優(yōu)勢(shì)，具備高速低功 耗，廉價(jià)高性能特點(diǎn)的超寬帶(UWB)技術(shù)發(fā)展前途可觀。
[0003] 超寬帶(UWB)技術(shù)在探測(cè)雷達(dá)、材料探傷、乳腺腫瘤檢測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，和天 線設(shè)計(jì)的靈活性不可分割。收發(fā)信號(hào)的天線優(yōu)劣直接決定了微波系統(tǒng)工作的效率高低。用 于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶天線，具有成本低、尺寸小、無(wú)輻射損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)，超寬帶天線的工 作頻率通常在GHz級(jí)別，處于該頻率等級(jí)的天線，必須具有穩(wěn)定小于2的電壓駐波比以及穩(wěn) 定增益。
[0004] Vivaldi天線常用于乳腺腫瘤檢測(cè)、未知目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域，該天線是一種超寬帶行 波天線，也是一種指數(shù)縫隙天線。電磁波沿著天線的指數(shù)縫隙傳播出去，輻射電磁波的頻率 與縫隙位置的寬度有關(guān)，高頻電磁波從較窄縫隙處輻射，低頻電磁波從較寬縫隙處輻射。指 數(shù)型縫隙輻射區(qū)具有良好的連續(xù)性，拓展了天線的工作頻帶，也保證了天線工作時(shí)電磁波 接發(fā)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種小型化的Vivaldi天線，適用于2_6GHz頻率范圍，具有穩(wěn)定的天線 增益，能有效發(fā)射和接收高頻信號(hào)。該天線方向性良好，發(fā)射的電磁波能量集中，以一定規(guī) 律置于探測(cè)區(qū)域鄰近處，可以通過(guò)該天線發(fā)射和接收電磁波，對(duì)發(fā)射和接收的兩種電磁波 信號(hào)加以分析，以此得到該區(qū)域及未知物體的相關(guān)信息，為未知目標(biāo)的位置判斷和進(jìn)一步 探索提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -款用于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶Vivaldi天線，此天線共有三層，正極板和負(fù)極板的材 料相同，中間為基板，由巴倫（1)和輻射區(qū)（2)組成，正極板和負(fù)極板的輻射區(qū)形狀相對(duì)稱(chēng)， 主瓣較寬而副瓣較窄，正極板和負(fù)極板兩面的漸變指數(shù)線(6)之間構(gòu)成天線縫隙槽，其特征 在于，采用雙平行線結(jié)構(gòu)的微帶線(3)饋電，天線的外形結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表：
[0008]以天線饋電端邊緣中心為基點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系，輻射區(qū)（2)和巴倫（1)的外漸變部 分曲線（4,8)均為橢圓弧的1/4,橢圓弧長(zhǎng)軸為167mm，短軸為83.5mm，橢圓中心坐標(biāo)為(85， 46.8);巴倫（1)加載的圓弧銜接處（5)是另一橢圓曲線的一部分，此另一橢圓的長(zhǎng)軸為 17 · Imm，短軸為6mm，橢圓中心坐標(biāo)為（IO，5·8);輻射區(qū)內(nèi)側(cè)的漸變線(6)是依照指數(shù)率R是 〇. 045的指數(shù)規(guī)律漸變的曲線，其指數(shù)線的數(shù)學(xué)模型是：
[0009]
[0010] 式中，C1 = O.3933463,其中與指數(shù)線上端相連的弧形切割線（7)為圓弧，圓弧上端 與天線上沿相切，圓弧半徑為16.5mm，圓心距同側(cè)邊界為18mm。
[0011] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0012] (1)采用此種天線饋電端和輻射區(qū)形狀的方案，天線的主輻射方向增益得到保證， 在有效工作頻帶內(nèi)可以順利進(jìn)行信號(hào)電磁波的發(fā)射與接收。
[0013] (2)天線通過(guò)連接至信號(hào)傳輸線，將激勵(lì)信號(hào)發(fā)射出去，同時(shí)同軸接收端可以對(duì)回 收的信號(hào)進(jìn)行分析，從而得到未知物體分布信息。
[0014] (3)天線的方向性良好，可以實(shí)現(xiàn)特定方向的發(fā)射與接收，這有利于檢測(cè)信號(hào)的定 向檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)未知物體位置的精確定位。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1該天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖 [0016]圖2該天線的反面結(jié)構(gòu)示意圖 [0017]圖3該天線的Sn特性曲線 [0018] 圖4該天線在2GHz時(shí)的方向圖 [0019] 圖5該天線在4GHz時(shí)的方向圖 [0020] 圖6該天線在6GHz時(shí)的方向圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1所示是此款超寬帶天線正面結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是天線的反面結(jié)構(gòu)示意圖，天線 的部分幾何參數(shù)列在表1中。此天線共有三層，上下正負(fù)極板的材料相同，圖中所示即為上 下極板金屬面。中間基板的介電常數(shù)為4.4，即與PCB板的介電常數(shù)一致。
[0022]表1天線的外形結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0024]該天線由巴倫1和輻射區(qū)2組成，天線的輻射區(qū)，正極板和負(fù)極板若投射到同一個(gè) 平面上，相互呈對(duì)稱(chēng)形狀。天線采用微帶線3饋電，微帶線3是實(shí)現(xiàn)饋線和天線匹配的部件， 微帶線3的雙平行線結(jié)構(gòu)保證信號(hào)不失真的傳遞到輻射區(qū)2,使天線的輻射不受饋入部分 (巴倫)的影響。以天線饋電端邊緣中心0為基點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系，輻射區(qū)2和巴倫1的外漸變 部分曲線4與8均為橢圓弧的1/4,橢圓弧長(zhǎng)軸為167mm，短軸為83.5mm，橢圓中心坐標(biāo)為(85， 46.8)，巴倫1加載的圓弧銜接處5是另一橢圓曲線的一部分，橢圓長(zhǎng)軸為17.1mm，短軸為 6_。則橢圓中心坐標(biāo)為（10,5.8)。輻射區(qū)內(nèi)側(cè)的漸變線6是依照指數(shù)規(guī)律漸變的曲線，它的 指數(shù)率R是〇. 045。指數(shù)線的數(shù)學(xué)模型是：
[0025]
Cl)
[0026]式中cl =0.3933463，d是天線饋入微帶線3的寬度。其中弧形切割線7為圓弧，圓弧 上端與天線上沿相切，圓弧半徑為16.5mm，圓心距右邊界為18mm。
[0027] 正反兩面的漸變指數(shù)線6之間構(gòu)成了天線縫隙槽，電磁波在不同的槽寬處有對(duì)應(yīng) 的發(fā)射頻率，所以不同頻率的電磁波沿著漸變指數(shù)線6發(fā)射出去，可以覆蓋連續(xù)的頻帶。
[0028] 圖3是天線的Sn圖，直觀地看到天線在預(yù)期頻帶內(nèi)具有良好的駐波特性，工作效率 尚。
[0029]圖4、圖5和圖6是天線分別在2GHz、4GHz和6GHz的輻射方向圖。天線在這些頻率點(diǎn) 均有大于3dB的穩(wěn)定增益，并且天線的主瓣較寬，輻射區(qū)域集中，保證了乳腺腫瘤檢測(cè)區(qū)域 信號(hào)的方向精確度，而天線的副瓣小，輻射損耗低，降低了發(fā)射功率損耗，實(shí)現(xiàn)了超寬帶檢 測(cè)的低功耗特性。
[0030] 通過(guò)調(diào)節(jié)天線饋入微帶線以及天線末端結(jié)構(gòu)，來(lái)調(diào)節(jié)天線的輻射角度和不同位置 的功率密度，從而改善天線的方向性和增益，這對(duì)于提高檢測(cè)精確度和降低天線能量損耗 具有重要意義。最終天線在2GHz、4GHz和6GHz的主瓣方向上的增益分別達(dá)到了2.76dBi、 4.84dBi、5.32dBi，而3dB增益角寬分別為111.6°、88.2°和66.2°，電磁波可以在輻射區(qū)域內(nèi) 有效覆蓋，且在主瓣方向功率密度集中，便于電磁信號(hào)的定向發(fā)射與接收。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一款用于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶Vivaldi天線，此天線共有三層，正極板和負(fù)極板的材料 相同，中間為基板，由巴倫（1)和輻射區(qū)（2)組成，正極板和負(fù)極板的輻射區(qū)形狀相對(duì)稱(chēng)，主 瓣較寬而副瓣較窄，正極板和負(fù)極板兩面的漸變指數(shù)線(6)之間構(gòu)成天線縫隙槽，其特征在 于，采用雙平行線結(jié)構(gòu)的微帶線(3)饋電，天線的外形結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表：以天線饋電端邊緣中心為基點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系，輻射區(qū)（2)和巴倫(1)的外漸變部分曲 線（4,8)均為橢圓弧的1/4,橢圓弧長(zhǎng)軸為167mm，短軸為83.5mm，橢圓中心坐標(biāo)為（85， 46.8);巴倫（1)加載的圓弧銜接處（5)是另一橢圓曲線的一部分，此另一橢圓的長(zhǎng)軸為 17 · 1mm，短軸為6mm，橢圓中心坐標(biāo)為（10，5 · 8);輻射區(qū)內(nèi)側(cè)的漸變線(6)是依照指數(shù)率R是 〇. 045的指數(shù)規(guī)律漸變的曲線，其指數(shù)線的數(shù)學(xué)模型是：式中，C1 = 0.3933463,其中與指數(shù)線上端相連的弧形切割線（7)為圓弧，圓弧上端與天 線上沿相切，圓弧半徑為16.5mm，圓心距同側(cè)邊界為18mm。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于目標(biāo)檢測(cè)的超寬帶Vivaldi天線，此天線共有三層，正極板和負(fù)極板的材料相同，中間為基板，由巴倫(1)和輻射區(qū)(2)組成，采用雙平行線結(jié)構(gòu)的微帶線(3)饋電，輻射區(qū)(2)和巴倫(1)的外漸變部分曲線(4，8)均為橢圓弧的1/4；巴倫(1)加載的圓弧銜接處(5)是另一橢圓曲線的一部分；輻射區(qū)內(nèi)側(cè)的漸變線(6)是依照指數(shù)率R是0.045的指數(shù)規(guī)律漸變的曲線。本發(fā)明具有穩(wěn)定的天線增益，能有效發(fā)射和接收高頻信號(hào),方向性良好，發(fā)射的電磁波能量集中。
【IPC分類(lèi)】H01Q13/08, H01Q13/10, H01Q1/36
【公開(kāi)號(hào)】CN105680164
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610124331
【發(fā)明人】肖夏, 佘東東, 王梁
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年3月4日