阅读说明：本技术 一种在低频处实现低回波损耗、高增益的Vivaldi天线 (Vivaldi antenna capable of realizing low return loss and high gain at low frequency ) 是由 杜伯学 宁江涛 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种在低频处实现低回波损耗、高增益的Vivaldi天线,其特征在于,在CAVA外侧加载指数渐变槽,EGSA天线,包括介质基板、金属辐射片、微带巴伦、椭圆槽线和指数渐变槽,金属辐射片分别固定在介质基板顶面与底面,阻抗匹配微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线金属贴片构成。采用在金属辐射片外侧加载指数渐变槽结构(EGS),EGSA在S<Sub>11</Sub><-10dB的工作带宽增加为CAVA的185％,EGS结构有效地改善了低频段的回波损耗。(The invention discloses a Vivaldi antenna for realizing low return loss and high gain at a low frequency, which is characterized in that an index gradual change groove is loaded on the outer side of CAVA, the EGSA antenna comprises a dielectric substrate, a metal radiating sheet, a microstrip balun, an elliptical slot line and an index gradual change groove, the metal radiating sheet is respectively fixed on the top surface and the bottom surface of the dielectric substrate, and an impedance matching microstrip balun is composed of a linear gradual change microstrip line and a metal patch provided with an elliptical slot line. An exponential gradient groove structure (EGS) is loaded on the outer side of the metal radiating sheet, and EGSA is loaded on S 11 <The-10 dB operating bandwidth is increased to 185% of the CAVA, and the EGS structure effectively improves the return loss of the low frequency band.)

一种在低频处实现低回波损耗、高增益的Vivaldi天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种在低频处实现低回波损耗、高增益的Vivaldi天线。

背景技术

随着通信技术的发展，宽频带、高增益、良好的定向性的天线愈发受到关注。Vivaldi天线，即指数锥削槽天线，是Gibson于1979年提出的一种端射的渐变槽线天线，其电流集中分布在呈指数规律变化的槽线附近，不同宽度的槽线对应辐射不同频率的电磁波。理论上，这种天线可以实现很宽的工作带宽。此外，Vivaldi天线还具有高增益和良好的端射性能。因而被广泛地应用于通信和电子对抗系统。

对于传统的对拓Vivaldi天线，虽然天线窄端辐射高频的电磁波，窄端处导行区小电磁波易被辐射被辐射，反射较少；但天线宽端辐射低频电磁波，其部分能量被天线末端反射，导致低频处的回波损耗不满足-10dB以下。现有技术难以改善Vivaldi天线在低频处的回波损耗与增益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，Vivaldi天线难以在低频处实现较低的回波损耗，尤其在较低频段表现不佳。

本发明提出一种针对常规对拓Vivaldi天线(Conventional antipodal Vivaldiantenna，简称CAVA)。在不增大平面尺寸的前提下，改善低频处的辐射特性参数。

本发明所采用的技术方案是：一种改善对拓Vivaldi天线低频辐射特性的方法。在CAVA外侧加载指数渐变槽(Exponential gradient slot，简称EGS)，该槽结构采用指数渐变曲线能平滑的约束表面波，进而达到向低频处拓宽频段。EGSA天线，包括介质基板、金属辐射片、微带巴伦、椭圆槽线和指数渐变槽(EGS)。金属辐射片分别固定在介质基板顶面与底面，阻抗匹配微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线金属贴片构成。金属辐射片上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线，金属辐射片外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽。

有益效果

本发明具有如下有益效果：

(1)采用在金属辐射片外侧加载指数渐变槽结构(EGS)，EGSA在S₁₁<-10dB的工作带宽增加为CAVA的185％，EGS结构有效地改善了低频段的回波损耗。

(2)EGS结构的加载提高了天线在低频段的辐射增益，约束全频段的电场偏移，减小了副波瓣，增强了辐射稳定性。

(3)结构简单，成本低，便于大规模加工生产，适用于特高频检测、通信和电子对抗系统。

附图说明

图1为本发明的常规对拓Vivaldi天线(CAVA)结构示意图。

图2为本发明的指数渐变槽Vivaldi天线(EGSA)结构示意图。

图3为CAVA与EGSA的回波损耗仿真结果对比图。

图4为CAVA与EGSA的增益仿真结果对比图。

图5为CAVA与EGSA在频率为1.5，2，2.5,3GHz的E面与H面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1CAVA、图2EGSA所示，本发明提供的EGSA包括介质基板1、金属辐射片2、微带巴伦3、椭圆槽线4、指数渐变槽线5和波纹状的的指数渐变槽(EGS)6。金属辐射片2分别固定在介质基板1顶面与底面，用于阻抗匹配的微带巴伦由线性渐变微带线与开有椭圆槽线4金属贴片构成。金属辐射片2上开有喇叭状开口的关于其水平中心轴线对称的指数渐变槽线5，金属辐射片2外侧壁开设波纹状的的指数渐变槽6。

本实施例中所选用的FR-4介质板长度为99mm，宽度为99mm，厚度为2mm，相对介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02。

喇叭状开口的两条指数渐变槽线5的表达式为：

其中，曲率b与两指数槽线的起点、终点确定a和c，W₀为50Ω微带馈线的宽度。椭圆槽线长短轴之比ratio＝0.107,L₀为椭圆焦点到介质板边缘的横向距离。

为了在不增加尺寸的情况下拓宽低频处的阻抗频带，通过开槽可增加贴片的表面电流分布路径长度，进而达到相应较低的工作频率。利用四分之一波长槽线开路原理，通过在CAVA外边缘开槽，能构成阻抗无穷大的结构，进而有效抑制边缘处表面波产生的辐射，使电流沿渐变槽线流动辐射。

本实施例在CAVA外侧开EGS，其槽的总边长为68mm对应1.1GHz的λ_l/4。该槽结构采用指数渐变曲线能平滑的约束表面波。其表达式为：

经HFSS软件优化后，EGSA天线具体参数最终确定为表1。

表1天线结构参数

本实施例在电磁仿真软件HFSS中进行建模仿真。如图3为CAVA与EGSA的回波损耗仿真结果对比示意图，S₁₁<-10dB时的EGSA工作频带为0.77-3GHz,对比CAVA的0.76-1.26GHz,1.65-2.21GHz与2.83-3.0GHz,工作带宽增加为常规的185％，EGS结构有效地改善了低频段的回波损耗；

如图4为EGSA与CAVA的增益对比。在0.5-1.3GHz中，二者增益相近。在1.3-2.1GHz频率范围内，EGSA比CAVA的增益明显增高，最高提高2.1dB。EGS结构地引入有效地改善了低频段的增益。EGSA的增益在UHF频段内增长平稳，在1.5-3GHz达到4.2-7.9dB；

如图5为本实施例CAVA与EGSA天线在频率为1.5，2，2.5,3GHz的E面与H面的方向图。可看出EGSA的旁瓣少于并小于CAVA，说明EGS有效地抑制了边沿电流与表面波电流，并且波束稳定性得到改善。EGSA较CAVA的方向图具有良好的对称性，天线也具有较好的方向性。