一种3D拱形超宽带Vivaldi天线及制作方法
阅读说明：本技术 一种3D拱形超宽带Vivaldi天线及制作方法 (3D arched ultra-wideband Vivaldi antenna and manufacturing method ) 是由 王丽黎 刘庆 杜忠红 于 2021-05-07 设计创作，主要内容包括：一种3D拱形超宽带Vivaldi天线,包括介质板、接地板、微带传输线一和微带传输线二；顶层接地板附着在介质板顶层,微带传输线一和微带传输线二附着在介质板的底层；所述的3D拱形超宽带Vivaldi天线由水平部分、垂直部分及弯曲部分组成,接地板由圆形槽线、矩形槽线及指数型槽线构成,并在辐射臂两侧含有60个排列均匀的矩形缝隙,通过弯折辐射臂,改变了电流路径,使天线在水平部分被馈电,并从弯折的辐射臂辐射出行波；本发明的天线在4-14GHz的超宽带工作频段内增益峰值可以达10dBi,相对带宽为111％,具有小型化、高增益和超宽带特点。(A3D arch ultra-wideband Vivaldi antenna comprises a dielectric plate, a grounding plate, a first microstrip transmission line and a second microstrip transmission line; the top-layer grounding plate is attached to the top layer of the dielectric plate, and the first microstrip transmission line and the second microstrip transmission line are attached to the bottom layer of the dielectric plate; the 3D arched ultra-wideband Vivaldi antenna is composed of a horizontal part, a vertical part and a bent part, the ground plate is composed of a circular slot line, a rectangular slot line and an index slot line, 60 rectangular slots which are uniformly arranged are arranged on two sides of the radiation arm, and a current path is changed by bending the radiation arm, so that the antenna is fed at the horizontal part, and a traveling wave is radiated from the bent radiation arm; the gain peak value of the antenna can reach 10dBi in an ultra-wideband working frequency band of 4-14GHz, the relative bandwidth is 111%, and the antenna has the characteristics of miniaturization, high gain and ultra-wideband.)
技术领域
本发明属于电磁场与微波
技术领域
，具体涉及一种3D拱形超宽带Vivaldi微带天线及制作方法。背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，对天线的带宽和增益的需求越来越高，作为宽带天线的重要代表之一，Vivaldi天线具有优异的辐射性能和极宽的带宽，因此Vivaldi天线在超宽带天线领域内的研究比较广泛。
但目前许多Vivaldi天线体积较大且结构固定，所以需要提出新型Vivaldi天线结构并提高其性能是迫在眉睫的。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种3D拱形的超宽带Vivaldi天线及制作方法，该天线工作在4-14GHz，改善了微带天线的低增益特性及固定结构，实现了天线的小型化、高增益和超宽带特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种3D拱形超宽带Vivaldi天线，包括介质板、接地板、微带传输线一和微带传输线二；顶层接地板附着在介质板顶层，微带传输线一和微带传输线二附着在介质板的底层。
所述的介质板弯折成3D拱形。
所述的介质板的长度L1为155.7mm±1mm，宽度W1为70mm±1mm，厚度H1为0.78mm±0.1mm；接地板2的厚度H2为0.0175mm±0.1mm；微带传输线一、微带传输线二的厚度H3为0.0175mm±0.1mm。
所述的介质板采用Taconic TLY-5材料制作，介电常数2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.78mm。
所述的接地板中心位置设有圆形缝隙，圆形缝隙上下两侧设有相同的矩形缝隙，接地板的辐射臂两侧设有规则排列的矩形缝隙。
所述的矩形缝隙一共有60个，均匀分布。
所述的介质板是由矩形基板在左右两侧分别设有指数型缝隙。
所述的介质板的顶部附着一层接地板。
所述的接地板中心位置设有圆形缝隙，圆形缝隙上下两侧设有相同的矩形缝隙，并在辐射臂两侧设有规则排列的矩形缝隙。
所述的微带传输线一和微带传输线二结构相同；微带传输线一由扇形、三角形、2个大小不同梯形及2个大小不同的矩形构成，扇形圆心角与三角形顶角相连，三角形底边与较小的矩形通过一个较小的梯形相连接，较小的矩形与较大的矩形由另一个梯形连接。
一种3D拱形超宽Vivaldi天线的制作方法，介质板1从平面弯折成3D拱形，包括以下步骤：
步骤1，将介质板的左半部分沿着AB向Z轴正方向弯折90度，再将介质板的右半部分沿着CD向Z轴正方向弯折90度；
步骤2，将XZ平面的介质板的左半部分沿着EG向X轴正方向弯曲，弯曲为圆心为13mm的四分之一弧，将XZ平面的介质板的右半部分沿着FH向X轴负方向弯曲，弯曲为圆心为13mm的四分之一弧。
本发明的有益效果是：
本发明通过将两个单个Vivaldi天线组合并除去多余部分，再将天线上下两侧折叠成直角，并将辐射臂向内弯曲90度，减小了水平部分尺寸大小，实现超宽带和高增益的特性，并且结构新颖，有很大的发展空间，能够很好地应用在工作在4-14GHz的宽带系统中，涵盖了C波段、X波段和部分Ku波段，市场前景良好。
通过弯折辐射臂，改变了电流路径，使天线在水平部分被馈电，并从弯折的辐射臂辐射出行波；本发明的天线在4-14GHz的超宽带工作频段内增益峰值可以达10dBi，相对带宽为111％，具有小型化、高增益和超宽带特点。
附图说明
图1是本发明未弯折前的介质板1的正面结构示意图。
图2是本发明未弯折前的介质板1背面结构示意图。
图3是本发明未弯折前的微带传输线的示意图。
图4是本发明未弯折前的侧视图。
图5是本发明的三维视图。
图6是本发明反射系数结果曲线图。
图7是本发明的增益曲线图。
图8是本发明工作在5GHz的E面和H面的方向图。
图9是本发明工作在7GHz的E面和H面的方向图；
图10是本发明工作在9GHz的E面和H面的方向图；
图11是本发明工作在11GHz的E面和H面的方向图。
图中，1-介质板，2-顶层接地面，3-微带传输线一，4-微带传输线二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种3D拱形超宽带Vivaldi天线，包括介质板1、接地板2、微带传输线一3和微带传输线二4；顶层接地板2附着在介质板1顶层，微带传输线一3和微带传输线二4附着在介质板1的底层。
所述的介质板1的长度L1为155.7mm±1mm，宽度W1为70mm±1mm，厚度H1为0.78mm±0.1mm；接地板2的厚度H2为0.0175mm±0.1mm；微带传输线一3、微带传输线二4的厚度H3为0.0175mm±0.1mm。
所述的介质板1采用Taconic TLY-5材料制作，介电常数2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.78mm。
所述接地板2的辐射臂两侧设有矩形缝隙。
所述的矩形缝隙一共有60个，均匀分布。
介质板是由矩形基板在左右两侧分别设有指数型缝隙结构；
所述的介质板的顶部附着一层接地板；
所述的接地板上设有圆形缝隙、矩形缝隙，并在辐射臂两侧设有规则排列的矩形缝隙；
所述的介质板的底面设置两个微带传输线；微带传输线由扇形、三角形、2个大小不同梯形及2个大小不同的矩形结构构成，扇形圆心角与三角形顶角相连，三角形底边与较小的矩形通过一个较小的梯形相连接，较小的矩形与较大的矩形由另一个梯形连接；
本发明一种3D拱形超宽带的Vivaldi天线，未弯折时如图1所示，1为介质板，通过在矩形介质板上除去以L点为起点，M点为终点的指数型曲线缝隙，其中曲线函数为y＝C1eKx+C2，其中 K＝0.05，2为接地板，接地板与介质板尺寸相同，在接地板中心位置去除由圆形缝隙及圆形缝隙左右两侧的矩形缝隙所围成的缝隙结构，并在接地板上下两侧去除结构相同的两个矩形缝隙，在辐射臂两侧去除均匀排列的60个矩形槽线；
如图2所示，在辐射臂底面放置两个大小尺寸相同的微带传输线一3和微带传输线二4，微带传输线一3和微带传输线二4的末端与介质板1边缘对齐，微带传输线一3和微带传输线二4通过介质板向槽线馈电；
如图3所示，是微带传输线一的示意图，微带传输线由扇形、三角形、2个大小不同梯形及2个大小不同的矩形结构构成，扇形圆心角与三角形顶角相连，三角形底边与较小的矩形通过一个较小的梯形相连接，较小的矩形与较大的矩形由另一个梯形连接；
如图4所示，是天线未弯折时的侧视图，顶层接地板2附着在介质板1顶层，微带传输线一3和微带传输线二4附着在介质板1的底层。
如图5所示，是弯折后的3D拱形Vivaldi天线图，将水平放置的天线左右两侧沿着AC及BD向Z轴正方向弯折90度，然后将XZ平面的天线左半部分沿着EG向X轴正方向弯曲，弯曲成圆心为13mm的四分之一弧，将XZ平面的天线右半部分沿着FH向X轴负方向弯曲，弯曲为圆心为13mm的四分之一弧。
介质板的长度L1为155.7mm±1mm，宽度W1为70mm±1mm，厚度H1为0.78mm±0.1mm；
介质板水平部分AB的长度L2为26.8mm±1mm，竖直部分AE部分的长度L3为44mm±1mm；
介质板指数槽线起点槽线宽度W2为1mm±1mm，末端槽线宽度W3为59.5mm±1mm，指数槽线长度L4为60±1mm；
接地板矩形缝隙的长度L5为10±1mm和宽度W4为22.4mm±0.1mm；
接地板圆形缝隙的直径R1为11.2±1mm；
接地板上与圆形缝隙相连的矩形缝隙长度为L6为8.2±1mm；
接地板上下两侧均匀排布的矩形缝隙长度L7为2±1mm和宽度W5为7mm±0.1mm，缝隙之间的长度L8为2±1mm；
馈电微带线3的与介质板边缘重合的矩形的长度L9为19.3mm±0.1mm，宽度W6为1.8mm±0.1mm；
馈电微带线3的扇形贴片的圆弧的起点到中心点的长度L10为2mm±0.1mm，宽度W7为0.75mm±0.1mm；
馈电微带线3的三角形贴片的宽度L11为3mm±0.1mm，高度W8为14.5mm±0.1mm，与三角形贴片相连接的梯形贴片高W9为0.5mm±0.1mm；
馈电微带线3的矩形贴片的长度L12为3.6mm±0.1mm，宽度W10为1mm±0.1mm，与矩形贴片相连接的梯形贴片高W11为0.5mm±0.1mm；
介质板1的厚度H1为0.78mm±0.1mm；
接地板2的厚度H2为0.0175mm±0.1mm；
微带传输线一3、微带传输线二4的厚度H3为0.0175mm±0.1mm；
介质板1优选Taconic TLY-5材料制作，介电常数2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.78mm。
一种3D拱形超宽Vivaldi天线的制作方法，介质板1从平面弯折成3D拱形，包括以下步骤：
步骤1，将介质板1的左半部分沿着AB向Z轴正方向弯折90度，再将介质板1的右半部分沿着CD向Z轴正方向弯折90度；
步骤2，将XZ平面的介质板的左半部分沿着EG向X轴正方向弯曲，弯曲为圆心为13mm的四分之一弧，将XZ平面的介质板的右半部分沿着FH向X轴负方向弯曲，弯曲为圆心为13mm的四分之一弧。
图6为本发明一种3D超宽带Vivaldi天线的输入反射系数，天线的输入反射系数是天线的一个主要性能特征。从图5可见，天线的工作带宽为4-14GHz，相对带宽为111％。
图7是本发明一种3D拱形超宽带Vivaldi天线的增益曲线，增益也是天线的一个主要性能特征。从图7可见，天线的增益峰值可以达到10dBi。
图8是本发明一种3D拱形超宽带Vivaldi天线工作在5GHz的E面和H面的方向图；图9是本发明一种3D拱形超宽带Vivaldi天线工作在7GHz的E面和H面的方向图；图10是本发明一种3D拱形超宽带Vivaldi天线工作在9GHz的E面和H面的方向图；图11是本发明一种3D拱形超宽带Vivaldi天线工作在11GHz的E面和H面的方向图，通过图8、图9、图10、图11四个频段天线E面和H面的方向图可以看出该天线具有很好的辐射特性，有较好的信号接收范围。