CN109193110A - 一种高增益Vivaldi圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益Vivaldi圆极化天线，包括金属板底座；四面相同的开槽介质板，开槽介质板外侧壁具有金属层，开槽介质板开有轴对称渐变槽线,槽线按指数形渐变呈喇叭形开口，槽线末端开有正方形槽线谐振腔；馈电单元，馈电端口设置在每块介质板下表面上，通过微带线对介质板进行分别馈电；渐变槽线两侧开有栅栏，用于将电流向槽线集中；开槽介质板正上方置有一个半球形介质透镜,引导电磁波向指定方向辐射提高天线增益。本发明天线工作频段为5.0GHz~5.9GHz，在工作频带内具有稳定的天线增益，方向性良好，能有效发射和接收高频信号。

Description

一种高增益Vivaldi圆极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种高增益Vivaldi圆极化天线。
技术背景
Vivaldi天线是一种非周期、渐变、端射行波天线，由P.J.Gibson在1979年提出，对于某个特定的工作频率，整个天线结构中，只有槽线宽度与波长接近的区域才能向空间形成有效的辐射，当工作频率发生变化，则辐射的区域也相应变化，且辐射区域槽线的宽度与辐射的波长成比例。Vivaldi天线一般由微带、带状线或者同轴等传输线形式将能量引入，通过电磁耦合或介质耦合方式，使能量在馈电传输线与辐射槽线间进行转换，电磁波通过槽线向自由空间辐射。
Vivaldi天线由于其特定的渐变槽线结构，使其能够拥有很宽的阻抗带宽，除此之外Vivaldi天线副瓣低、增益适中，且为微带结构，具有尺寸小、成本低、结构简单易于加工的特点。
文献“S.Sugawara,Y.Maita,and K.Adachi,et al.A mm-Wave Tapered SlotAntenna with Improved Radiation Pattern[C].IEEE MTT-S International SymposiumDigest,1997:959-962”研究了在渐变槽线边缘开矩形槽对天线性能的影响，这种处理形成了纹波边缘结构，实验证明，对渐变开槽天线边缘处理越充分，渐变开槽天线的低频匹配和辐射性能越好。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高增益Vivaldi圆极化天线，使得电磁波辐射强度增大，从而使天线增益提高。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高增益Vivaldi圆极化天线，包括半球形介质透镜、金属板底座、四块开槽介质板和四个馈电单元，四块开槽介质板间隔呈矩形设置，其底面固定在金属板底座，每块开槽介质板上接有一个馈电单元，半球形介质透镜通过支架固定在四块开槽介质板的顶面正上方，引导电磁波向指定方向辐射提高天线增益。
所述开槽介质板外壁面涂覆金属层，开槽介质板上开有关于其中心轴线对称的渐变槽线，渐变槽线按指数形渐变呈喇叭形向上开口，渐变槽线底端开有与其相通的正方形槽线谐振腔；渐变槽线两侧分别开有若干个栅栏，用于将电流向渐变槽线集中。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明高增益Vivaldi圆极化天线工作频带为5.0GHz-5.9GHz，在频带内天线增益能达到17dB，驻波小于2。
(2)由于采用4块开槽介质板与传统的Vivaldi天线相比，形成了圆极化。
(3)因为在渐变槽线两侧开栅栏，使金属层上的电流分布集中于渐变槽线，电磁波辐射强度增大，从而使天线增益提高。
(4)在渐变槽线前端放置了半球形介质透镜，改善槽线口径内或槽线口径外侧附近的电场波前分布,改变天线在不同频率下的辐射阻抗，提高天线的辐射效率，在不改变天线驻波的情况下，进一步提高了天线增益。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明的局部结构示意图。
图3为本发明高增益Vivaldi圆极化天线的方向图。
图4为本发明高增益Vivaldi圆极化天线端口的驻波曲线图。
图5为本发明的增益曲线图。
图中,1-半球形介质透镜,2-开槽介质板,3-馈电单元,4-金属板底座,5-槽线谐振腔,6-栅栏,7-渐变槽线。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明高增益Vivaldi圆极化天线作详细阐释。
结合图1与图2，一种高增益Vivaldi圆极化天线，包括半球形介质透镜1、金属板底座4、四块开槽介质板2和四个馈电单元3，四块开槽介质板2间隔呈矩形设置，其底面固定在金属板底座4，每块开槽介质板2上接有一个馈电单元3，半球形介质透镜1通过支架固定在四块开槽介质板2的顶面正上方，引导电磁波向指定方向辐射提高天线增益。
所述开槽介质板2外壁面涂覆金属层，开槽介质板2上开有关于其中心轴线对称的渐变槽线7，渐变槽线7按指数形渐变呈喇叭形向上开口，渐变槽线7底端开有与其相通的正方形槽线谐振腔5；渐变槽线7两侧分别开有若干个栅栏6，用于将电流向渐变槽线7集中。
所述开槽介质板2长L1＝200mm、宽W1＝46mm、厚H＝0.762mm、介电常数为3.0。
所述栅栏6长L2＝8mm、宽W2＝2mm、间隔距离L3＝10mm，等距对向设置在所述渐变槽线7两侧，位于同一侧的栅栏6等距放置且开口大小相同。
所述馈电单元3包括馈电端口和微带线，馈电端口设置在金属板底座4和开槽介质板2之间，由金属板底座4边缘引出从一条渐变槽线7一侧向另一条渐变槽线7呈L形过渡，通过微带线对开槽介质板2进行馈电；馈电方式为四端口等幅馈电，相位依次为0°、90°、180°、270°。
所述金属板底座4为铝制圆柱形，厚度为W3＝1.8mm，半径为R2＝40mm。
其中，所述半球形介质透镜1的半径为R1＝38mm。
按照文献的设计经验，渐变槽线7开口的宽度分别由工作频段的高低截止频率决定，开口最宽处为低频截止频率所对应波长的1.3倍左右，开口最窄处为高频截止频率所对应波长的2％左右，指数渐变曲线y的可由公式(1)确定：
y＝C1eαx+C2 (1)
p1(x1，y1)指数渐变曲线的起点，p2(x2，y2)为指数渐变曲线的终点,其中C1、C2、α为渐变线方程(1)的系数。
图3为本发明天线的方向图，由图可知该天线为定向天线。
图4为本发明天线端口的驻波曲线，由图可知，该天线在5.0GHz-5.9GHz频率范围内驻波比小于2。
图5为本发明的增益曲线，由图可知增益大于15dBi,极化隔离大于20dBi。

Claims (7)

1.一种高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：包括半球形介质透镜（1）、金属板底座（4）、四块开槽介质板（2）和四个馈电单元（3），四块开槽介质板（2）间隔呈矩形设置，其底面固定在金属板底座（4），每块开槽介质板（2）上接有一个馈电单元（3），半球形介质透镜（1）通过支架固定在四块开槽介质板（2）的顶面正上方，引导电磁波向指定方向辐射提高天线增益。
2.根据权利要求1所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：所述开槽介质板（2）外壁面涂覆金属层，开槽介质板（2）上开有关于其中心轴线对称的渐变槽线（7），渐变槽线（7）按指数形渐变呈喇叭形向上开口，渐变槽线（7）底端开有与其相通的正方形槽线谐振腔（5）；渐变槽线（7）两侧分别开有若干个栅栏（6），用于将电流向渐变槽线（7）集中。
3.根据权利要求1或2所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：所述开槽介质板（2）长L1=200mm、宽W1=46mm、厚H=0.762mm、介电常数为3.0。
4.根据权利要求2所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：所述栅栏（6）长L2=8mm、宽W2=2mm、间隔距离L3=10mm，等距对向设置在所述渐变槽线（7）两侧，位于同一侧的栅栏（6）等距放置且开口大小相同。
5.根据权利要求1所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：所述馈电单元（3）包括馈电端口和微带线，馈电端口设置在金属板底座（4）和开槽介质板（2）之间，由金属板底座（4）边缘引出在开槽介质板（2）呈L形过渡，通过微带线对开槽介质板（2）进行馈电；馈电方式为四端口等幅馈电，相位依次为0°、90°、180°、270°。
6.根据权利要求1所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：所述金属板底座（4）为铝制圆柱形，厚度为W3=1.8mm，半径为R2=40mm。
7.根据权利要求1所述的高增益Vivaldi圆极化天线，其特征在于：其中，所述半球形介质透镜（1）的半径为R1=38mm。
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