CN106816696B - 一种Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Vivaldi天线，PCB板顶面层包括输入端口馈线、终端开路半波长谐振器和终端短路阶梯阻抗谐振器；PCB板底面层的金属接地板上开有槽线结构，槽线结构为轴线对称，包括圆形谐振腔、矩形槽线和喇叭形槽线，圆形谐振腔、矩形槽线和喇叭形槽线沿槽线结构的对称轴线依次串接；输入端口馈线、半波长谐振器和终端短路阶梯阻抗谐振器与槽线结构的对称轴线正交，输入端口馈线布置在矩形槽线与圆形谐振腔的连接部位；终端开路半波长谐振器布置在圆形谐振腔的正上方，终端短路阶梯阻抗谐振器布置在矩形槽线与喇叭形槽线的连接部位。本发明具有结构简单、损耗低、带宽宽、辐射效率高、高矩形系数陷波特性等优点,非常适用于现代无线通信***。
Description
[技术领域]
本发明涉及微波无源器件，尤其涉及一种Vivaldi天线。
[背景技术]
近年来，随着无线通信市场的竞争，通信朝着高速度、宽频带方向发展，频谱资源作为一个国家有限的资源，已经到了捉襟见肘的地步，因此当前对能够工作在多频段多标准下的移动通信设备的需求日益增大。传统的滤波天线设计方法着眼于天线和滤波器器件本身，先按标准阻抗单元进行独立的设计和优化，然后直接连接在一起，由于器件间的相互影响，这种方式可能使得级联后阻抗失配，总体性能恶化。为了避免这种影响，通常在天线与滤波器之间增加额外的匹配电路。然而，这会使电路变得复杂，尺寸和损耗也会增大。因而，从天线和滤波器的整体性能出发，将天线与滤波器进行一体化设计，构成结构紧凑的滤波天线。
已有文献报道了带有陷波特性的Vivaldi天线的结构：
2015年，Deqiang Yang、Sihao Liu等人在IEEE.International Symposium onMicrowave,Antenna,Propagation,and EMC Technologies(28-30Oct.2015)上发表“ACompact Vivaldi Antenna with Triple Band-notched Characteristics”，该篇文章提出在传统微带-槽线耦合馈电Vivaldi天线的基础上，在馈电的微带线附近引入三个SIR谐振结构，使得天线在Wlan频段内实现三个陷波点。这种设计方法能够产生三个陷波通带，改善陷波处的矩形系数，但是结构加工复杂，误差较大。
2014年，Priyanka Natani,Latheef Ahmed Shaik等人在IEEE.InternationalConference on Emerging Technology Trends in Electronics,Communication andNetworking(26-27Dec.2014)上发表“Hexagonal SRR Coupled UWB Vivaldi Antenna forFrequency Notched Applications”，提出在微带线的馈线部分引入两个六边形开环谐振器实现的一个陷波的Vivaldi天线，虽然此种方案能够在陷波处得到很好的矩形系数，但是结构复杂，加工误差大。
2014年，Aravinda Reddy K，Natarajamani S和S.K.Behera在IEEE.International Conference on Computing,Electronics and ElectricalTechnologies(21-22March 2012)上发表了“Antipodal Vivaldi Antenna UWB Antennawith 5.5GHz Band-Notch Characteristics”，提出在辐射单元上蚀刻出两个对称的Ω型槽线，利用该槽线的长度来控制产生陷波的频率，该设计产生一个陷波，但是矩形系数较差，频率选择性不好。
由上可知，现有技术实现具有陷波特性的Vivaldi天线比较复杂，不便于加工集成，且非陷波频率通带的增益不高，陷波处的频率选择性不好，不适用于现代无线通信***。
[发明内容]
本发明的要解决的技术问题是提供一种结构简单、高矩形系数陷波特性、方向性良好的Vivaldi天线。
实现本发明的技术解决方案为：一种Vivaldi天线，包括PCB板，PCB板包括顶面层、作为芯板的介质基板(6)和底面层，顶面层包括输入端口馈线(1)、终端开路半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)；底面层包括金属接地板(5)，金属接地板(5)上开有槽线结构(4)，槽线结构(4)为轴线对称，包括圆形谐振腔(41)、矩形槽线(42)和喇叭形槽线(43)，圆形谐振腔(41)、矩形槽线(42)和喇叭形槽线(43)沿槽线结构(4)的对称轴线依次串接；输入端口馈线(1)、半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)与槽线结构(4)的对称轴线正交，输入端口馈线(1)布置在矩形槽线(42)与圆形谐振腔(41)的连接部位；终端开路半波长谐振器(2)布置在圆形谐振腔(41)正上方，终端短路阶梯阻抗谐振器(3)布置在矩形槽线(42)与喇叭形槽线(43)的连接部位，并通过两端的金属化过孔与金属接地板(5)连接。
以上所述的Vivaldi天线，所述的输入端口馈线(1)包括作为输入端的50欧姆微带线导带(11)、1/4波长阻抗匹配微带线(12)、矩形微带短截线(13)，三者依次串接，1/4波长阻抗匹配微带线(12)与矩形槽线(42)正交；终端短路阶梯阻抗谐振器(3)包括依次串接的第一低阻抗谐振器(31)、第二高阻抗谐振器(32)和第三低阻抗谐振器(33)，第二高阻抗谐振器(32)与矩形槽线(42)正交；终端开路半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)以槽线结构(4)的对称轴线作为对称轴线，槽线结构(4)的对称轴线与介质基板(6)的长轴同轴。
以上所述的Vivaldi天线，信号经由所述的50欧姆微带线导带(11)传入，然后通过四分之一波长阻抗匹配传输线(12)与底面槽线结构(4)进行耦合激励输入；输入信号经过槽线结构(4)进行传输，耦合至终端开路半波长谐振器(2)产生谐振，形成第一个陷波；耦合至终端短路阶梯阻抗谐振器(3)产生谐振，形成第二个陷波。
以上所述的Vivaldi天线，介质基板(6)的尺寸为70×87.3mm2，在介质基板(6)的顶面所蚀刻的50欧姆微带线导带(11)的长度L1为27.5mm，宽度W1为2.8mm；1/4波长匹配线(12)的长度L2为7.5mm，宽度W2为1.7mm；矩形微带短截线(13)长度L3为7.1mm，宽度W3为3.3mm；终端开路半波长谐振器(2)的长度L4为15.5mm，宽度W4为1.7mm；终端短路阶梯阻抗谐振器(3)第一高阻抗谐振器(32)的长度L6为11.6mm，宽度W6为1.3mm；第二高阻抗谐振器(31)的长度L5为13.2mm，宽度W5为4mm；第三低阻抗谐振器(33)的尺寸与第二低阻抗线相同；端部圆形谐振腔(41)的半径R1为4.4mm；圆形谐振腔(41)的端部距离终端开路半波长谐振器(2)中间的距离L8为5.4mm，圆形谐振腔(41)相连的矩形槽线(42)的宽度W7为0.5mm；矩形微带短截线(13)距离终端短路阶梯阻抗谐振器(3)的第三低阻抗线中间的距离L9为11.25mm，指数型渐变槽线部分的长L10为59.35mm，最后的张口宽度W8为18.3mm。
以上或2所述的Vivaldi天线，所述介质基板(6)的相对介电常数为2.2，厚度为1mm至1.5mm。
以上所述的Vivaldi天线，终端开路半波长谐振器(2)产生第一个陷波，终端短路阶梯阻抗谐振器(3)产生第二个陷波，上述两个陷波经由仿真调试，共同撑起一个陷波频率带，达到良好的矩形系数，具有良好的频率选择特性。
本发明具有结构简单、损耗低、带宽宽、辐射效率高、高矩形系数陷波特性等优点,非常适用于现代无线通信***。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例Vivaldi天线的立体结构示意图。
图2是本发明实施例Vivaldi天线的俯视图。
图3是本发明实施例Vivaldi天线的仰视图。
图4是本发明实施例Vivaldi天线的具体结构示意图。
图5是本发明实施例的结构尺寸示意图。
图6是本发明实施例的S11参数仿真图。
图7是本发明实施例的Realized Gain参数仿真图。
图8至图10分别是本发明实施例在4GHz、7GHz、10GHz天线辐射方向图。
图中，1-输入端口馈线，2-终端开路半波长谐振器，3-终端短路的阶梯阻抗谐振器，4-介质基板下表面地板上开出的槽线结构，5-金属接地板，6-矩形介质基板；
11-50欧姆线导带，12-四分之一波长阻抗匹配线，13-矩形微带短截线；
2-终端开路半波长谐振器；
31-第一低阻抗谐振器，32-第二高阻抗谐振器，33-第三低阻抗谐振器；
41-圆形谐振腔，42-矩形槽线，43-指数型渐变槽线。
[具体实施方式]
本发明实施例Vivaldi天线的结构如图1至图5所示，包括PCB板，PCB板包括作为芯层的矩形介质基板6、顶面层和底面层。
顶面层包括输入端口馈线1，终端开路半波长谐振器2和终端短路的阶梯阻抗谐振器3。
底面层包括金属接地板5，金属接地板5上开有一个槽线结构4。
槽线结构4包括圆形谐振腔41、矩形槽线42、喇叭形(指数型渐变)槽线43，圆形谐振腔41、矩形槽线42、喇叭形(指数型渐变)槽线43沿矩形介质基板6的长轴布置，并以矩形介质基板6的长轴作为对称轴线。
输入端口馈线1布置在矩形槽线42与圆形谐振腔41连接部位，且与槽线结构4的对称轴线正交，输入端口馈线1包括作为输入端的50欧姆微带线导带11、1/4波长阻抗匹配微带线12和矩形微带短截线13，三者相串接构成输入端馈线1。1/4波长阻抗匹配微带线12与矩形槽线42正交。
终端开路半波长谐振器2布置在圆形谐振腔41的正上方，与槽线结构4的对称轴线正交，以槽线结构4的对称轴线作为对称轴线。终端开路半波长传输线2单独构成谐振器。
终端短路阶梯阻抗谐振器3布置在矩形槽线42与喇叭形(指数型渐变)槽线43连接部位，且与槽线结构4的对称轴线正交，并以槽线结构4的对称轴线作为对称轴。终端短路阶梯阻抗谐振器3包含第一低阻抗谐振器31、第二高阻抗谐振器32和第三低阻抗谐振器33，这三个谐振器相互连接成一个完整的终端短路的一个波长谐振器3，通过两端的金属短路柱与金属接地板5相接。
信号经由50欧姆微带线导带11输入，然后通过四分之一波长阻抗匹配传输线12与底面槽线结构4进行耦合激励输入；输入信号经过槽线结构4进行传输，耦合至终端开路均匀传输线2产生谐振，形成第一个陷波；输入信号经过槽线结构4进行传输，耦合至终端短路阶梯阻抗谐振器3产生谐振，形成第二个陷波，上述两个陷波经由仿真调试，共同撑起一个陷波频率带，最终的陷波波形达到良好的矩形系数，具有良好的频率选择特性。
第一个陷波频率位置受终端开路均匀传输线2的长度和宽度影响很大，长度越大，陷波频率位置越小；宽度越大，陷波频率位置越大。
第二个陷波频率位置受终端短路阶梯阻抗谐振器3的长度影响大，整体长度越大，陷波频率位置越小。
介质基板6的相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm。
本发明基于微带线—槽线结构并具有高频率选择陷波特性的Vival di天线，在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀从而形成所需的金属图案。
下面结合具体实施例的具体尺寸对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例Vivaldi天线的有关尺寸规格如图5所示。所采用的介质基板6相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm，损耗角正切为0.0009。结合图3，该具有陷波特性的Vivaldi天线的各尺寸参数如下：L1＝27.5mm，W1＝2.8mm，L2＝7.5mm，W2＝1.7mm，L3＝7.1mm，W3＝3.3mm，L4＝15.5mm，W4＝1.7mm，L6＝11.6mm，W6＝1.3mm，L5＝13.2mm，W5＝4mm，R1＝4.4mm，L7＝3.8mm，L8＝5.4mm，L9＝11.25mm，L10＝59.35mm，W7＝0.5mm，W8＝18.3mm，具有陷波特性的超宽带滤波器的整体面积为70×87.3mm2，对应的导波长尺寸为2λg×2.4λg，其中λg为通带中心频率对应的导波波长。
本实例具有高矩形系数陷波特性的Vivaldi天线是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图6是本实例中具有高矩形系数陷波特性的Vivaldi天线的S参数仿真图，从图中可以看出，该具有高矩形系数陷波特性的Vivaldi天线的通带中心频率为5.5GHz，相对带宽为131.2％。两个陷波的同时产生使得该实例陷波具有良好的频率选择特性，在非陷波频率处，该天线匹配良好。
图7是本实例具有高矩形系数陷波特性的Vivaldi天线的RealizedGain参数仿真图，从图中可以看出，两个陷波分别位于5.2GHz和5.8GHz处，两个陷波公共撑起一个滤波通带，具有良好的矩形系数，频率选择特性良好，在通带内非陷波频率处，天线的辐射增益良好。
图8、图9和图10是本实例具有高矩形系数陷波特性的Vivaldi天线在4GHz、7GHz、10GHz天线辐射方向图，从图中可以看出，实施例的Vivaldi天线具有较好的方向性，可用作定向的UWB***。
本发明以上实施例在传统的微带线—槽线耦合馈电的Vivaldi天线的槽线上方分别加载一个终端开路半波长谐振器和一个终端短路阶梯阻抗谐振器，从而分别产生两个陷波点，而且通过仿真调试，使得这两个陷波适当靠近的情况下，共同撑起一个陷波通带，改善陷波波形的矩形系数，提高陷波处的频率选择性。
本发明以上实施例与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的结构简单，可在单片PCB板上实现，便于加工集成，生产成本低；
(2)本发明陷波处的频率选择性好，适用于现代无线通信***；
(3)本发明基于Vivaldi天线的超宽带特性，适用于超宽带背景；
(4)本发明利用槽线谐振器实现超宽带陷波特性，陷波处频率选择性良好，非陷波频率处天线辐射增益高，具有良好的天线方向性。
综上所述，本发明的Vivaldi天线结合半波长谐振器和阶梯阻抗谐振器的特性实现了一种超宽带Vivaldi天线，该天线具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、高矩形系数陷波特性等优点,非常适用于现代无线通信***。
Claims (6)
1.一种Vivaldi天线，其特征在于：包括PCB板，PCB板包括顶面层、作为芯板的介质基板(6)和底面层，顶面层包括输入端口馈线(1)、终端开路半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)；底面层包括金属接地板(5)，金属接地板(5)上开有槽线结构(4)，槽线结构(4)为轴线对称，包括圆形谐振腔(41)、矩形槽线(42)和喇叭形槽线(43)，圆形谐振腔(41)、矩形槽线(42)和喇叭形槽线(43)沿槽线结构(4)的对称轴线依次串接；输入端口馈线(1)、终端开路半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)与槽线结构(4)的对称轴线正交，输入端口馈线(1)布置在矩形槽线(42)与圆形谐振腔(41)的连接部位投影在顶面层的位置；终端开路半波长谐振器(2)在垂直于PCB板的顶面层的方向上位于圆形谐振腔(41)的上方，终端短路阶梯阻抗谐振器(3)布置在矩形槽线(42)与喇叭形槽线(43)的连接部位投影在顶面层的位置，并通过两端的金属化过孔与金属接地板(5)连接。
2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：所述的输入端口馈线(1)包括作为输入端的50欧姆微带线导带(11)、1/4波长阻抗匹配微带线(12)、矩形微带短截线(13)，三者依次串接，1/4波长阻抗匹配微带线(12)与矩形槽线(42)正交；终端短路阶梯阻抗谐振器(3)包括依次串接的第一低阻抗谐振器(31)第二高阻抗谐振器(32)、和第三低阻抗谐振器(33)，第二高阻抗谐振器(32)与矩形槽线(42)正交；终端开路半波长谐振器(2)和终端短路阶梯阻抗谐振器(3)以槽线结构(4)的对称轴线作为对称轴线，槽线结构(4)的对称轴线与介质基板(6)的长轴同轴。
3.根据权利要求2所述的Vivaldi天线，其特征在于：信号经由所述的50欧姆微带线导带(11)传入，然后通过四分之一波长阻抗匹配传输线(12)与底面槽线结构(4)进行耦合激励输入；输入信号经过槽线结构(4)进行传输，耦合至终端开路半波长谐振器(2)产生谐振，形成第一个陷波；耦合至终端短路阶梯阻抗谐振器(3)产生谐振，形成第二个陷波。
4.根据权利要求2所述的Vivaldi天线，其特征在于：介质基板(6)的尺寸为70×87.3mm2，在介质基板(6)的顶面所蚀刻的50欧姆微带线导带(11)的长度L1为27.5mm，宽度W1为2.8mm；1/4波长匹配线(12)的长度L2为7.5mm，宽度W2为1.7mm；矩形微带短截线(13)长度L3为7.1mm，宽度W3为3.3mm；终端开路半波长谐振器(2)的长度L4为15.5mm，宽度W4为1.7mm；终端短路阶梯阻抗谐振器(3)第一高阻抗谐振器(32)的长度L6为11.6mm，宽度W6为1.3mm；第二高阻抗谐振器(31)的长度L5为13.2mm，宽度W5为4mm；第三低阻抗谐振器(33)的尺寸与第二低阻抗线相同；端部圆形谐振腔(41)的半径R1为4.4mm；圆形谐振腔(41)的端部距离终端开路半波长谐振器(2)中间的距离L8为5.4mm，圆形谐振腔(41)相连的矩形槽线(42)的宽度W7为0.5mm；矩形微带短截线(13)距离终端短路阶梯阻抗谐振器(3)的第三低阻抗线中间的距离L9为11.25mm，指数型渐变槽线部分的长L10为59.35mm，最后的张口宽度W8为18.3mm。
5.根据权利要求1或2所述的Vivaldi天线，其特征在于：所述介质基板(6)的相对介电常数为2.2，厚度为1mm至1.5mm。
6.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于：终端开路半波长谐振器(2)产生第一个陷波，终端短路阶梯阻抗谐振器(3)产生第二个陷波，上述两个陷波经由仿真调试，共同撑起一个陷波频率带，达到良好的矩形系数，具有良好的频率选择特性。
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- 2016-12-26 CN CN201611217055.3A patent/CN106816696B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN106816696A (zh) | 2017-06-09 |
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