一種新型小型化Vivaldi天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型小型化Vivaldi天線，其是一種中心頻點為5.4GHz、駐波比小于2的阻抗帶寬為4GHz、增益6.55dB、交叉極化比為?24.59dB的新型Vivaldi天線，該天線還具有體積小、饋電簡單、輻射效率高的特點，能夠適于民用無線通信領(lǐng)域、無線局域網(wǎng)(RLAN)、固定無線接入系統(tǒng)(FWA)、WiMAX和IEEE 802.11a無線網(wǎng)絡(luò)，具有良好的應(yīng)用前景，值得推廣。
【專利說明】
-種新型小型化V i va I d i天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種新型小型化Vivaldi天線。
【背景技術(shù)】
[0002] Vivaldi天線是一種通過微帶傳輸線把能量禪合到天線貼片上并福射的行波縫隙 天線，具有寬頻帶、高增益等特性，并由于福射定向性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點而被重 視。Vivaldi天線是最早由Gibson于1979年提出的槽線端射式行波天線，其槽線是按照指數(shù) 漸變而張開，形成類似卿趴口的形狀，向外福射或接收電磁波，由于不同部分福射不同頻率 的電磁波，在理論上該天線具有很寬工作帶寬，所W它適合作為脈沖信號的發(fā)射天線。 Vivaldi天線一般是由微帶、帶狀線或者同軸等傳輸線形式將能量引入，通過電稱禪合或介 質(zhì)禪合方式，將饋電傳輸線與福射槽線進行能量轉(zhuǎn)換，電磁波通過槽線向自由空間傳遞，通 常在槽線終端采用圓形腔作為短路終端，而微帶終端采用扇形支節(jié)作為開路終端，W實現(xiàn) 整個饋電部分的寬帶匹配。由于福射場型對稱和高增益的優(yōu)點，也常應(yīng)用于無線通信和微 波成像中。然而W往天線的體積大、饋電難、福射效率低、頻段不適于民用無線通信領(lǐng)域，因 此需要進一步研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種新型小型化Vivaldi天線，其 是一種中屯、頻點為5.4G化、駐波比小于2的阻抗帶寬為4G化、增益6.55dB、交叉極化比為-24.59地的新型Vivaldi天線，該天線還具有體積小、饋電簡單、福射效率高的特點，能夠適 于民用無線通信領(lǐng)域、無線局域網(wǎng)(RLAN)、固定無線接入系統(tǒng)(FWA)、WiMAX和IE邸802. Ila 無線網(wǎng)絡(luò)，具有良好的應(yīng)用前景，值得推廣。
[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明具體采用W下技術(shù)方案：
[0005] -種中屯、新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，包括介質(zhì)板、金屬導(dǎo)體層W及金 屬微帶饋線，所述金屬導(dǎo)體層、金屬微帶饋線分別印制在介質(zhì)板的兩側(cè)，所述金屬導(dǎo)體層關(guān) 于福射方向?qū)ΨQ，所述金屬導(dǎo)體層上刻有槽線，所述槽線包括圓形槽線、平行槽線W及指數(shù) 漸變槽線，所述槽線的兩側(cè)設(shè)有若干條等間隔分布的Y形縫隙，所述Y形縫隙的高度沿著圓 形槽線向指數(shù)漸變槽線方向等差遞減。
[0006] 前述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述金屬微帶饋線的端部為扇 形。
[0007] 前述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述金屬微帶饋線包括依次連 接的水平部分和豎直部分，所述扇形設(shè)置在豎直部分的端部。
[000引前述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，指數(shù)漸變槽線包括上側(cè)漸變槽 線段、下側(cè)漸變槽線段，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段分別向介質(zhì)板的上下兩側(cè) 展開，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段對稱設(shè)置。
[0009]前述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，介質(zhì)板長度為30mm，介質(zhì)板寬 度為30mm，介質(zhì)板厚度為1mm，金屬導(dǎo)體層、金屬微帶饋線的厚度均為18um，指數(shù)漸變槽線的 長度為3.5mm，上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè)開口的寬度為28.3mm，平行槽線的 寬度為0.6mm，圓形槽線直徑為3.8mm，金屬微帶饋線水平部分的長度為8.85mm，金屬微帶饋 線水平部分的寬度為2.5mm，金屬微帶饋線豎直部分上邊緣到平行槽線的距離為3.2mm，金 屬微帶饋線豎直部分下邊緣到平行槽線的距離為0mm，金屬微帶饋線豎直部分的寬度為 1mm，金屬微帶饋線中扇形結(jié)構(gòu)的半徑為4.1mm，扇形結(jié)構(gòu)開口角度為90°，金屬微帶饋線豎 直部分中屯、距離平行槽線右端的長度為3.15mm，金屬微帶饋線垂直部分中屯、距離平行槽線 左端的長度為2mm，Y形縫隙的寬度為0.49mm，每個Y形縫隙的枝節(jié)長度為1.87mm，相鄰Y形縫 隙間距為2.6mm，Y形縫隙的等差漸變長度為1.46mm，最左端Y形縫隙到介質(zhì)板左邊緣的長度 為6.9mm，最左端Y形縫隙不包括枝節(jié)的高度為8.26mm。
[0010] 前述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述指數(shù)漸變槽線計算公式 為：
[0011] (!)
[0012] W上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段起點之間的中屯、點為原點構(gòu)建直角坐標(biāo)系， X為指數(shù)漸變槽線上各點對應(yīng)的X坐標(biāo)，表示指數(shù)漸變槽線上的點到縱軸y軸的距離，縱軸即 為f (X)，為指數(shù)漸變槽線，即為指數(shù)漸變槽線上各點的y坐標(biāo)，Ws為平行槽線的寬度，T為上 側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè)開口的寬度，H為指數(shù)漸變槽線的長度，上側(cè)漸變槽 線段起點坐標(biāo)為A仰^人終點坐標(biāo)為坑f)。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的一種新型小型化Vivaldi天線，通過在常規(guī) Vivaldi天線福射貼片兩側(cè)加載Y形縫隙的方法，將天線表面電流匯聚于槽線附近，使天線 的福射特性明顯提高，改善天線的阻抗匹配特性，展寬天線帶寬，提高天線的增益，增強天 線端射效果，天線的尺寸實現(xiàn)了小型化。仿真設(shè)計中，通過調(diào)整Y形縫隙的數(shù)目、寬度、等差 漸變長度、Y形縫隙張角W及位置等，有效地改善了天線的增益。
【附圖說明】
[0014] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明的一種新型小型化Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明的駐波比仿真結(jié)果示意圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明的增益仿真結(jié)果示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明的交叉極化比仿真結(jié)果示意圖；
[0019] 圖6為本發(fā)明的駐波比實測結(jié)果示意圖；
[0020] 圖7為本發(fā)明的增益實測結(jié)果示意圖；
[0021 ]圖8為本發(fā)明的交叉極化比實測結(jié)果示意圖。
[0022] 附圖標(biāo)記含義如下：
[0023] 1:介質(zhì)板;2:金屬導(dǎo)體層;3:金屬微帶饋線;4:圓形槽線;5:平行槽線;6:指數(shù)漸變 槽線;7:Y形縫隙。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0025] 如圖2所示，一種新型小型化Vivaldi天線，包括介質(zhì)板1、金屬導(dǎo)體層2W及金屬微 帶饋線3,所述金屬導(dǎo)體層2、金屬微帶饋線3分別印制在介質(zhì)板1的兩側(cè)，所述金屬導(dǎo)體層2 設(shè)置在介質(zhì)板正面，且關(guān)于福射方向?qū)ΨQ，所述金屬導(dǎo)體層2上刻有具有指數(shù)函數(shù)曲線的槽 線，所述槽線包括圓形槽線4、平行槽線5W及指數(shù)漸變槽線6,第一段圓形槽線4相當(dāng)于諧振 腔，起著天線阻抗匹配的作用，第二段平行槽線5起禪合作用，主要影響電磁波的傳輸情況， 第=段為指數(shù)漸變槽線6，對電磁波的福射起引導(dǎo)作用，指數(shù)漸變槽線6包括上側(cè)漸變槽線 段、下側(cè)漸變槽線段，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段的外端分別向介質(zhì)板1的上下 兩側(cè)展開，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段上下對稱，所述槽線的兩側(cè)設(shè)有若干條等 間隔分布的Y形縫隙7,所述Y形縫隙7的高度沿著圓形槽線4向指數(shù)漸變槽線6方向等差遞 減，介質(zhì)板1反面金屬微帶饋線3通過電磁禪合把能量禪合到槽線中去，其終端一般為扇形 結(jié)構(gòu)，起終端負(fù)載匹配作用，金屬微帶饋線3通過該介質(zhì)板向槽線禪合饋電，所述金屬微帶 饋線3包括依次連接的水平部分和豎直部分，所述扇形設(shè)置在豎直部分的端部。
[00%]根據(jù)Gibson提出的Vivaldi天線指數(shù)模型公式:f (X) = ± (cieKx+c2)，W上側(cè)漸變 槽線段與下側(cè)漸變槽線段起點之間的中屯、點為原點構(gòu)建直角坐標(biāo)系，X為指數(shù)漸變槽線上 各點對應(yīng)的X坐標(biāo)，表示指數(shù)漸變槽線上的點到縱軸y軸的距離，縱軸即為f (X)，為指數(shù)漸變 槽線，即為指數(shù)漸變槽線上各點的y坐標(biāo)，R為指數(shù)函數(shù)的漸變率，Cl和c2為系數(shù)，設(shè)計本發(fā)
明天線指數(shù)漸變槽線6方程為 同樣，W上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽 ， 線段起點之間的中屯、點為原點構(gòu)建直角坐標(biāo)系，X為指數(shù)漸變槽線上各點對應(yīng)的X坐標(biāo)，表 示指數(shù)漸變槽線上的點到縱軸y軸的距離，縱軸即為f(x)，為指數(shù)漸變槽線，即為指數(shù)漸變 槽線上各點的y坐標(biāo)，Ws為平行槽線的寬度，T為上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè) 開口的寬度，H為指數(shù)漸變槽線的長度，上側(cè)漸變槽線段起點坐標(biāo)為終點坐標(biāo)為
[0027] 實際運用時，可設(shè)計尺寸為:介質(zhì)板長度化為30mm，介質(zhì)板寬度Tz為30mm，介質(zhì)板 厚度thick為1mm，金屬導(dǎo)體層、金屬微帶饋線的銅皮厚度copper_thick均為18um，指數(shù)漸變 槽線的長度H為3.5mm，上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè)開口的寬度T為28.3mm，平 行槽線的寬度Ws為0.6mm，圓形槽線直徑Ds為3.8mm，金屬微帶饋線水平部分的長度L3為 13.85mm，金屬微帶饋線水平部分的寬度W為2.5mm，金屬微帶饋線豎直部分上邊緣到平行槽 線的距離L2為3.2mm，金屬微帶饋線豎直部分下邊緣到平行槽線的距離Ll為0mm，金屬微帶 饋線豎直部分的寬度Wm為1mm，金屬微帶饋線中扇形結(jié)構(gòu)的半徑Rsx為4.1mm，扇形結(jié)構(gòu)開口 角度Angle為90°，金屬微帶饋線豎直部分中屯、距離平行槽線右端的長度L_TA為3.15mm，金 屬微帶饋線垂直部分中屯、距離平行槽線左端L_TC的長度為2mm，Y形縫隙的寬度曰2為 0.49mm，每個Y形縫隙的枝節(jié)長度b2為1.87mm，相鄰Y形縫隙間距Ic為2.6mm，Y形縫隙的等差 漸變長度b3為1.46mm，最左端Y形縫隙到介質(zhì)板左邊緣的長度Lx為6.9mm，最左端Y形縫隙不 包括枝節(jié)的高度hi為8.26mm。
[0028] 圖3為駐波比仿真結(jié)果示意圖，在3.7-8G化頻率范圍內(nèi)，駐波比小于2,主福射方向 為XOZ面，E面為yoz面，H面為xoy面。
[0029] 圖4為增益仿真結(jié)果示意圖，在5.4G化的增益為6.82地，在3.8-8G化頻率范圍內(nèi)， 增益均大于3dB。
[0030] 圖5為交叉極化比仿真結(jié)果示意圖，仿真得到的中屯、頻率5.4G化處的E面福射圖， 可W看出交叉極化比為-22.16-6.44 = -28.6地。
[0031] 圖6為駐波比實測結(jié)果示意圖，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線的駐波比參數(shù)，測試 結(jié)果表明：駐波比小于2的帶寬BW =( 5.4-3.4) X 2 = 4.0細(xì)Z，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻 么 n O
[0032] 圖7為增益實測結(jié)果示意圖，中屯、工作頻率5.4G化處的增益為6.55地，實測結(jié)果與 仿真結(jié)果基本吻合。
[0033] 圖8為交叉極化比實測結(jié)果示意圖，測試結(jié)果表明：天線福射方向的主極化為 6.55dBm，交叉極化為-18.04dBm，天線福射方向的交叉極化比為24.59dB，由于無法達到 0.01mm的加工精度，所W實測結(jié)果相對仿真結(jié)果略有差異。
[0034] 該平面線極化天線使用了一個開有Y形縫隙的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)，在30mm X 30mm X Imm的Rogers 4003C基板上實現(xiàn)，整個結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低。設(shè)計過程中使用了HFSS 電磁仿真軟件對平面線極化天線的駐波比、增益和交叉極化比進行仿真，經(jīng)過一些列電磁 參數(shù)優(yōu)化之后確定各個電磁參數(shù)的尺寸。然后，使用Altium Designer軟件進行該天線的 PCB版圖的繪制，并加工實物。最后，使用Aglient E8361-000009型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試駐 波比，在微波暗室里測量天線的方向圖，從而求出中屯、頻率處的增益和交叉極化比。結(jié)果表 明：經(jīng)過仿真設(shè)計時準(zhǔn)確的匹配和實物加工后的微調(diào)，該平面線極化天線駐波比小于2的阻 抗帶寬為4. OG化，中屯、工作頻率5.4G化處的增益為6.55地，天線福射方向的交叉極化比為-24.59dB〇
[0035] 綜上，由于金屬福射貼片的表面電流不是很集中，為將其更好地約束到漸變槽線 附近，在不改變原天線設(shè)計尺寸的前提下，通過在天線金屬福射貼片兩側(cè)對稱開多條不同 長度Y形縫隙，進而增強金屬槽線的福射特性，改善后的整個天線福射為Y形縫隙的福射和 漸變開槽處福射的疊加，進而增強金屬槽線的福射特性。由于兩種福射都有端射效果，使得 天線增益增大，端射效果改善明顯。仿真設(shè)計中，通過調(diào)整縫隙的數(shù)目、縫隙的寬度、縫隙的 等差漸變長度、Y形縫隙張角和位置等，有效地改善了天線的增益。
[0036] W上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該 了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原 理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，運些變化和改進 都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界 定。
【主權(quán)項】
1. 一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，包括介質(zhì)板、金屬導(dǎo)體層以及金屬微帶 饋線，所述金屬導(dǎo)體層、金屬微帶饋線分別印制在介質(zhì)板的兩側(cè)，所述金屬導(dǎo)體層關(guān)于輻射 方向?qū)ΨQ，所述金屬導(dǎo)體層上刻有槽線，所述槽線包括圓形槽線、平行槽線以及指數(shù)漸變槽 線，所述槽線的兩側(cè)設(shè)有若干條等間隔分布的Y形縫隙，所述Y形縫隙的高度沿著圓形槽線 向指數(shù)漸變槽線方向等差遞減。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述金屬微帶饋 線的端部為扇形。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述金屬微帶饋 線包括依次連接的水平部分和豎直部分，所述扇形設(shè)置在豎直部分的端部。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，指數(shù)漸變槽線包 括上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段分別向介質(zhì)板 的上下兩側(cè)展開，所述上側(cè)漸變槽線段、下側(cè)漸變槽線段對稱設(shè)置。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，介質(zhì)板長度為 30mm，介質(zhì)板寬度為30mm，介質(zhì)板厚度為1mm，金屬導(dǎo)體層、金屬微帶饋線的厚度均為18um， 指數(shù)漸變槽線的長度為3.5mm，上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè)開口的寬度為 28.3mm，平行槽線的寬度為0.6mm，圓形槽線直徑為3.8mm，金屬微帶饋線水平部分的長度為 13.85mm，金屬微帶饋線水平部分的寬度為2.5mm，金屬微帶饋線豎直部分上邊緣到平行槽 線的距離為3.2mm，金屬微帶饋線豎直部分下邊緣到平行槽線的距離為0mm，金屬微帶饋線 豎直部分的寬度為1mm，金屬微帶饋線中扇形結(jié)構(gòu)的半徑為4.1mm，扇形結(jié)構(gòu)開口角度為 90°，金屬微帶饋線豎直部分中心距離平行槽線右端的長度為3.15mm，金屬微帶饋線垂直部 分中心距離平行槽線左端的長度為2mm，Y形縫隙的寬度為0.49mm，每個Y形縫隙的枝節(jié)長度 為1.87mm，相鄰Y形縫隙間距為2.6mm，Y形縫隙的等差漸變長度為1.46mm，最左端Y形縫隙到 介質(zhì)板左邊緣的長度為6.9mm，最左端Y形縫隙不包括枝節(jié)的高度為8.26_。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種新型小型化Vivaldi天線，其特征在于，所述指數(shù)漸變槽 線計算公式為：以上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段起點之間的中心點為原點構(gòu)建直角坐標(biāo)系，X為 指數(shù)漸變槽線上各點對應(yīng)的X坐標(biāo)，表示指數(shù)漸變槽線上的點到縱軸的距離，f(x)為指數(shù)漸 變槽線，WS為平行槽線的寬度，T為上側(cè)漸變槽線段與下側(cè)漸變槽線段的外側(cè)開口的寬度，Η 為指數(shù)漸變槽線的長度。
【文檔編號】H01Q1/50GK105826667SQ201610148441
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月15日
【發(fā)明人】萬發(fā)雨, 陳軍, 徐國建
【申請人】南京信息工程大學(xué)