阅读说明：本技术 一种超宽带高增益Vivaldi天线 (Ultra-wideband high-gain Vivaldi antenna ) 是由 张凯悦 燕有杰 蒋廷勇 王彬文 刘启龙 成真伯 王殿喜 于 2021-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及天线技术领域,具体涉及一种超宽带高增益Vivaldi天线。包括介质基板、辐射部分、馈电部分；辐射部分包括第一辐射体、第二辐射体和第三辐射体第一辐射体的内指数槽线与第二辐射体的外指数槽线构成V型槽线,第三辐射体的内指数槽线与第二辐射体的外指数槽线构成V型槽线,从而形成改进型的双V型槽线；馈电部分包括阻抗渐变微带结构和T型功率分配器；第一辐射体和第三辐射体上有开槽,所述开槽为系列矩形槽缝,各矩形槽缝的宽度和间隔相等,长度线性减小。本发明在高频增益损失较小的情况下明显改善了Vivaldi天线在低频段的增益。(The invention relates to the technical field of antennas, in particular to an ultra-wideband high-gain Vivaldi antenna. Comprises a dielectric substrate, a radiation part and a power feeding part; the radiation part comprises a first radiator, a second radiator and a third radiator, wherein the inner index slot line of the first radiator and the outer index slot line of the second radiator form a V-shaped slot line, and the inner index slot line of the third radiator and the outer index slot line of the second radiator form a V-shaped slot line, so that an improved double-V-shaped slot line is formed; the feed part comprises an impedance gradual change microstrip structure and a T-shaped power divider; the first radiator and the third radiator are provided with grooves, the grooves are series of rectangular slots, the width and the interval of each rectangular slot are equal, and the length is linearly reduced. The invention obviously improves the gain of the Vivaldi antenna in a low frequency band under the condition of small high-frequency gain loss.)

一种超宽带高增益Vivaldi天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种超宽带高增益Vivaldi天线。

背景技术

超宽带技术具有信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低能提供数厘米的定位精度等优点，因此成为无线通信领域热门技术之一。Vivaldi天线因其宽带宽、结构简单、易于加工、低成本等优点，在雷达、肿瘤探测、微波成像等领域具有重要应用。在微波成像系统中，为满足探测深度和精度的要求，需要提高超宽带天线的增益。

针对这一问题，延长介质基板是提高天线增益的一种常用思路，但这种做法会导致天线尺寸的增加。G.K.Pandey and M.K.Meshram等研究人员发表的文章《Anisotropicartificial material with ENZ and high refractive index property for high gainVivaldi antenna design》中提出了采用超材料来达到高增益的目的，但这种方法也同时带来了问题，造成天线阻抗带宽较窄。另外，传统Vivaldi天线的高增益往往体现在较高频段，存在高频段与低频段增益差距过大的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种超宽带高增益Vivaldi天线，解决Vivaldi天线在拓宽低频带宽的基础上实现较高辐射增益的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超宽带高增益Vivaldi天线，包括介质基板、辐射部分、馈电部分；

介质基板包括背面的接地面和正面的馈电面；

辐射部分包括第一辐射体、第二辐射体和第三辐射体；第一辐射体和第三辐射体对称设置于介质基板的馈电面上，第二辐射体设置于介质基板的接地面，第一辐射体和第三辐射体均包含两条槽线，内指数槽线和外指数槽线；第一辐射体的内指数槽线与第二辐射体的外指数槽线构成V型槽线，第三辐射体的内指数槽线与第二辐射体的外指数槽线构成V型槽线，从而形成改进型的双V型槽线；改进型双V型槽线均为指数递增曲线，且上下对称，降低天线的交叉极化水平，增强天线增益；第一辐射体和第三辐射体上有开槽，所述开槽为系列矩形槽缝，各矩形槽缝的宽度和间隔相等，长度线性减小，通过加载槽缝改善电流分布，增加电流路径，增强低频增益；

馈电部分包括阻抗渐变微带结构和T型功率分配器，馈电部分设置于介质基板上，与辐射部分连接；阻抗渐变微带结构设置于接地面，渐变槽线为四分之一椭圆；T型功率分配器包括一个输入端、两个第一阻抗转换线、两个第二阻抗转换线和四个输出端，其中输入端设置于馈电面，与设置于馈电面的一个第一阻抗转换线和一个第二阻抗转换线连接，再通过两个输出端分别与第一辐射体和第三辐射体连接；接地面的第一阻抗转换线和第二阻抗转换线与阻抗渐变微带结构连接，再通过两个输出端与第二辐射体连接；两个第一阻抗转换线之间通过过孔连接，实现正负极的交互，确保天线正常工作；

进一步的，T型功率分配器的四个输出端，每个输出端的弯折处均经过斜切角处理，改善连接处的阻抗匹配。

进一步的，T型功率分配器的第一阻抗转换线和第二阻抗转换线的连接处均经过V型切角处理，改善连接处的阻抗匹配。

进一步的，T型功率分配器输入端轴线向过孔侧偏离0.5mm，能够平衡过孔对馈电路径长度的影响。

本发明的有益效果如下：

基于过孔和渐变矩形开槽的对拓Vivaldi天线研究具有如下有益效果：

1、本发明提出的一种超宽带高增益Vivaldi天线，在0.7-10GHz带宽内，S11<-10dB，增益为5-12.2dBi，当频率大于0.8GHz时增益大于7.1dBi，在1.7-10GHz频段内增益均大于10dBi，实现了超宽带和高增益，且缩小了高低频带宽内的增益差距。

2、本发明提出的一种超宽带高增益Vivaldi天线，提出了改进型双V型槽线与矩形渐变槽缝加载相结合的方法，在高频增益损失较小的情况下明显改善了Vivaldi天线在低频段的增益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的正面贴片结构尺寸图；

图3为本发明的反面贴片结构尺寸图；

图4为本发明的回波损耗特性仿真结果示意图；

图5为本发明的增益仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对和实施例本发明进行详细的阐述和说明。

如图1所示的一种超宽带高增益Vivaldi天线，包括第一辐射体1、第二辐射体2、第三辐射体3、介质基板4和馈电结构5。

第一辐射体1、第三辐射体3印制在介质基板4的馈电面，上下呈对称结构，第二辐射体2印制在介质基板4的接地面。第一辐射体1、第三辐射体3的槽线包括外指数槽线11和内指数槽线12，开有系列矩形槽缝13，第二辐射体2的槽线包括外指数槽线31和内指数槽线32。馈电结构5为阻抗渐变微带结构和T型功率分配器，包括印制在介质基板4馈电面的微带馈线51和印制在接地面的正圆渐变巴伦结构53，微带馈线51的两个输出端分别与第一辐射体和第三辐射体连接，正圆渐变巴伦结构53的两个输出端分别与第二辐射体连接，连接处均采用切角处理，以优化阻抗匹配。

介质板长度为319.9mm，宽度为200.0mm，厚度为1.0mm，相对介电常数为2.65，介质损耗角正切为0.001。

天线的指数渐变槽线的表达通式为：

y＝C1i*e^ai*x+C2i+ws/2

式中，C1i、ai和C2i为系数。指数渐变槽线11的系数分别为C11、a1、C21，内指数槽线12的系数分别为C12、a2、C22，外指数槽线31的系数分别为C13、a3、C23，内指数槽线32的系数分别为C14、a4、C24,其中C11＝C12＝C13＝1。

内指数槽线12与外指数槽线31构成一个倾斜的V型槽，另一个V型槽在下方对称位置，二者形成改进的双V型槽，在降低天线交叉极化的同时提高天线增益，内指数槽线32用于优化第二辐射体电流分布。

系列矩形槽缝13用于改善电流分布，提高天线的增益。如图2所示，23个矩形槽缝的长度为等差序列，其中最长槽缝长度为dy1，最短槽缝长度为dy2，槽缝宽dx，槽缝之间间距为dg，最右侧槽缝距离基板右边缘ds。

如图2所示，T型功率分配器输入端轴线向过孔侧偏离0.5mm，偏移量为介质基板厚度的一半，以平衡过孔对馈电路径长度的影响，输入端与阻抗转换线连接处经过V型切角处理。输入端馈线宽度为wf，阻抗转换线宽度为wb，V型切角宽度为aw，深度为ad。

如图3所示，第二辐射体的馈线由正圆渐变巴伦和阻抗转换线组成。正圆渐变巴伦结构宽度为w1，圆弧半径为38.70mm，其轴线向过孔侧偏离0.5mm，偏移量为介质基板厚度的一半。

T型功率分配器的一侧阻抗转换线通过两个圆柱体过孔52连接，实现双V型槽间电场正常合成，确保天线正常工作。其中圆柱体底面直径为0.4mm，高为1mm。过孔结构中间通过宽度为0.4mm的Z字形槽缝进行隔离。

经过CST软件优化后，天线的具体参数最终确定为表1。

表1

本实例在电磁仿真软件CST中进行建模仿真。图4为回波损耗特性仿真结果示意图。由驻波比仿真结果可知，在0.7-10GHz频率范围内，天线的S11<-10dB。

图5为本实例的增益仿真结果示意图。在0.7-10GHz频率范围内，天线增益为5-12dBi，当频率大于0.8GHz时增益大于7.1dBi，在1.7-10GHz频段内增益均大于10dBi，天线增益在整个工作频段内表现较为稳定。