本發(fā)明涉及微波無源器件，尤其涉及一種Vivaldi天線。

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背景技術(shù)：
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近年來，隨著無線通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，通信朝著高速度、寬頻帶方向發(fā)展，頻譜資源作為一個(gè)國(guó)家有限的資源，已經(jīng)到了捉襟見肘的地步，因此當(dāng)前對(duì)能夠工作在多頻段多標(biāo)準(zhǔn)下的移動(dòng)通信設(shè)備的需求日益增大。傳統(tǒng)的濾波天線設(shè)計(jì)方法著眼于天線和濾波器器件本身，先按標(biāo)準(zhǔn)阻抗單元進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，然后直接連接在一起，由于器件間的相互影響，這種方式可能使得級(jí)聯(lián)后阻抗失配，總體性能惡化。為了避免這種影響，通常在天線與濾波器之間增加額外的匹配電路。然而，這會(huì)使電路變得復(fù)雜，尺寸和損耗也會(huì)增大。因而，從天線和濾波器的整體性能出發(fā)，將天線與濾波器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，構(gòu)成結(jié)構(gòu)緊湊的濾波天線。

已有文獻(xiàn)報(bào)道了帶有陷波特性的Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)：

2015年，Deqiang Yang、Sihao Liu等人在IEEE.International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation,and EMC Technologies(28-30Oct.2015)上發(fā)表“A Compact Vivaldi Antenna with Triple Band-notched Characteristics”，該篇文章提出在傳統(tǒng)微帶-槽線耦合饋電Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，在饋電的微帶線附近引入三個(gè)SIR諧振結(jié)構(gòu)，使得天線在Wlan頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)陷波點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)方法能夠產(chǎn)生三個(gè)陷波通帶，改善陷波處的矩形系數(shù)，但是結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜，誤差較大。

2014年，Priyanka Natani,Latheef Ahmed Shaik等人在IEEE.International Conference on Emerging Technology Trends in Electronics,Communication and Networking(26-27Dec.2014)上發(fā)表“Hexagonal SRR Coupled UWB Vivaldi Antenna for Frequency Notched Applications”，提出在微帶線的饋線部分引入兩個(gè)六邊形開環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)陷波的Vivaldi天線，雖然此種方案能夠在陷波處得到很好的矩形系數(shù)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工誤差大。

2014年，Aravinda Reddy K，Natarajamani S和S.K.Behera在IEEE.International Conference on Computing,Electronics and Electrical Technologies(21-22March 2012)上發(fā)表了“Antipodal Vivaldi Antenna UWB Antenna with 5.5GHz Band-Notch Characteristics”，提出在輻射單元上蝕刻出兩個(gè)對(duì)稱的Ω型槽線，利用該槽線的長(zhǎng)度來控制產(chǎn)生陷波的頻率，該設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)陷波，但是矩形系數(shù)較差，頻率選擇性不好。

由上可知，現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有陷波特性的Vivaldi天線比較復(fù)雜，不便于加工集成，且非陷波頻率通帶的增益不高，陷波處的頻率選擇性不好，不適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高矩形系數(shù)陷波特性、方向性良好的Vivaldi天線。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種Vivaldi天線，包括PCB板，PCB板包括頂面層、作為芯板的介質(zhì)基板(6)和底面層，頂面層包括輸入端口饋線(1)、終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)和終端短路階梯阻抗諧振器(3)；底面層包括金屬接地板(5)，金屬接地板(5)上開有槽線結(jié)構(gòu)(4)，槽線結(jié)構(gòu)(4)為軸線對(duì)稱，包括圓形諧振腔(41)、矩形槽線(42)和喇叭形槽線(43)，圓形諧振腔(41)、矩形槽線(42)和喇叭形槽線(43)沿槽線結(jié)構(gòu)(4)的對(duì)稱軸線依次串接；輸入端口饋線(1)、半波長(zhǎng)諧振器(2)和終端短路階梯阻抗諧振器(3)與槽線結(jié)構(gòu)(4)的對(duì)稱軸線正交，輸入端口饋線(1)布置在矩形槽線(42)與圓形諧振腔(41)的連接部位；終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)布置在圓形諧振腔(41)正上方，終端短路階梯阻抗諧振器(3)布置在矩形槽線(42)與喇叭形槽線(43)的連接部位，并通過兩端的金屬化過孔與金屬接地板(5)連接。

以上所述的Vivaldi天線，所述的輸入端口饋線(1)包括作為輸入端的50歐姆微帶線導(dǎo)帶(11)、1/4波長(zhǎng)阻抗匹配微帶線(12)、矩形微帶短截線(13)，三者依次串接，1/4波長(zhǎng)阻抗匹配微帶線(12)與矩形槽線(42)正交；終端短路階梯阻抗諧振器(3)包括依次串接的第一低阻抗諧振器(31)、第二高阻抗諧振器(32)和第三低阻抗諧振器(33)，第二高阻抗諧振器(32)與矩形槽線(42)正交；終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)和終端短路階梯阻抗諧振器(3)以槽線結(jié)構(gòu)(4)的對(duì)稱軸線作為對(duì)稱軸線，槽線結(jié)構(gòu)(4)的對(duì)稱軸線與介質(zhì)基板(6)的長(zhǎng)軸同軸。

以上所述的Vivaldi天線，信號(hào)經(jīng)由所述的50歐姆微帶線導(dǎo)帶(11)傳入，然后通過四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配傳輸線(12)與底面槽線結(jié)構(gòu)(4)進(jìn)行耦合激勵(lì)輸入；輸入信號(hào)經(jīng)過槽線結(jié)構(gòu)(4)進(jìn)行傳輸，耦合至終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)產(chǎn)生諧振，形成第一個(gè)陷波；耦合至終端短路階梯阻抗諧振器(3)產(chǎn)生諧振，形成第二個(gè)陷波。

以上所述的Vivaldi天線，介質(zhì)基板(6)的尺寸為70×87.3mm²，在介質(zhì)基板(6)的頂面所蝕刻的50歐姆微帶線導(dǎo)帶(11)的長(zhǎng)度L₁為27.5mm，寬度W₁為2.8mm；1/4波長(zhǎng)匹配線(12)的長(zhǎng)度L₂為7.5mm，寬度W₂為1.7mm；矩形微帶短截線(13)長(zhǎng)度L₃為7.1mm，寬度W₃為3.3mm；終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)的長(zhǎng)度L₄為15.5mm，寬度W₄為1.7mm；終端短路階梯阻抗諧振器(3)第一高阻抗諧振器(32)的長(zhǎng)度L₆為11.6mm，寬度W₆為1.3mm；第二高阻抗諧振器(31)的長(zhǎng)度L₅為13.2mm，寬度W₅為4mm；第三低阻抗諧振器(33)的尺寸與第二低阻抗線相同；端部圓形諧振腔(41)的半徑R1為4.4mm；圓形諧振腔(41)的端部距離終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)中間的距離L₈為5.4mm，圓形諧振腔(41)相連的矩形槽線(42)的寬度W₇為0.5mm；矩形微帶短截線(13)距離終端短路階梯阻抗諧振器(3)的第三低阻抗線中間的距離L₉為11.25mm，指數(shù)型漸變槽線部分的長(zhǎng)L₁₀為59.35mm，最后的張口寬度W₈為18.3mm。

以上或2所述的Vivaldi天線，所述介質(zhì)基板(6)的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1mm至1.5mm。

以上所述的Vivaldi天線，終端開路半波長(zhǎng)諧振器(2)產(chǎn)生第一個(gè)陷波，終端短路階梯阻抗諧振器(3)產(chǎn)生第二個(gè)陷波，上述兩個(gè)陷波經(jīng)由仿真調(diào)試，共同撐起一個(gè)陷波頻率帶，達(dá)到良好的矩形系數(shù)，具有良好的頻率選擇特性。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、帶寬寬、輻射效率高、高矩形系數(shù)陷波特性等優(yōu)點(diǎn),非常適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

[附圖說明]

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的俯視圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的仰視圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的具體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例的S11參數(shù)仿真圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例的Realized Gain參數(shù)仿真圖。

圖8至圖10分別是本發(fā)明實(shí)施例在4GHz、7GHz、10GHz天線輻射方向圖。

圖中，1-輸入端口饋線，2-終端開路半波長(zhǎng)諧振器，3-終端短路的階梯阻抗諧振器，4-介質(zhì)基板下表面地板上開出的槽線結(jié)構(gòu)，5-金屬接地板，6-矩形介質(zhì)基板；

11-50歐姆線導(dǎo)帶，12-四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配線，13-矩形微帶短截線；

2-終端開路半波長(zhǎng)諧振器；

31-第一低阻抗諧振器，32-第二高阻抗諧振器，33-第三低阻抗諧振器；

41-圓形諧振腔，42-矩形槽線，43-指數(shù)型漸變槽線。

[具體實(shí)施方式]

本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)如圖1至圖5所示，包括PCB板，PCB板包括作為芯層的矩形介質(zhì)基板6、頂面層和底面層。

頂面層包括輸入端口饋線1，終端開路半波長(zhǎng)諧振器2和終端短路的階梯阻抗諧振器3。

底面層包括金屬接地板5，金屬接地板5上開有一個(gè)槽線結(jié)構(gòu)4。

槽線結(jié)構(gòu)4包括圓形諧振腔41、矩形槽線42、喇叭形(指數(shù)型漸變)槽線43，圓形諧振腔41、矩形槽線42、喇叭形(指數(shù)型漸變)槽線43沿矩形介質(zhì)基板6的長(zhǎng)軸布置，并以矩形介質(zhì)基板6的長(zhǎng)軸作為對(duì)稱軸線。

輸入端口饋線1布置在矩形槽線42與圓形諧振腔41連接部位，且與槽線結(jié)構(gòu)4的對(duì)稱軸線正交，輸入端口饋線1包括作為輸入端的50歐姆微帶線導(dǎo)帶11、1/4波長(zhǎng)阻抗匹配微帶線12和矩形微帶短截線13，三者相串接構(gòu)成輸入端饋線1。1/4波長(zhǎng)阻抗匹配微帶線12與矩形槽線42正交。

終端開路半波長(zhǎng)諧振器2布置在圓形諧振腔41的正上方，與槽線結(jié)構(gòu)4的對(duì)稱軸線正交，以槽線結(jié)構(gòu)4的對(duì)稱軸線作為對(duì)稱軸線。終端開路半波長(zhǎng)傳輸線2單獨(dú)構(gòu)成諧振器。

終端短路階梯阻抗諧振器3布置在矩形槽線42與喇叭形(指數(shù)型漸變)槽線43連接部位，且與槽線結(jié)構(gòu)4的對(duì)稱軸線正交，并以槽線結(jié)構(gòu)4的對(duì)稱軸線作為對(duì)稱軸。終端短路階梯阻抗諧振器3包含第一低阻抗諧振器31、第二高阻抗諧振器32和第三低阻抗諧振器33，這三個(gè)諧振器相互連接成一個(gè)完整的終端短路的一個(gè)波長(zhǎng)諧振器3，通過兩端的金屬短路柱與金屬接地板5相接。

信號(hào)經(jīng)由50歐姆微帶線導(dǎo)帶11輸入，然后通過四分之一波長(zhǎng)阻抗匹配傳輸線12與底面槽線結(jié)構(gòu)4進(jìn)行耦合激勵(lì)輸入；輸入信號(hào)經(jīng)過槽線結(jié)構(gòu)4進(jìn)行傳輸，耦合至終端開路均勻傳輸線2產(chǎn)生諧振，形成第一個(gè)陷波；輸入信號(hào)經(jīng)過槽線結(jié)構(gòu)4進(jìn)行傳輸，耦合至終端短路階梯阻抗諧振器3產(chǎn)生諧振，形成第二個(gè)陷波，上述兩個(gè)陷波經(jīng)由仿真調(diào)試，共同撐起一個(gè)陷波頻率帶，最終的陷波波形達(dá)到良好的矩形系數(shù)，具有良好的頻率選擇特性。

第一個(gè)陷波頻率位置受終端開路均勻傳輸線2的長(zhǎng)度和寬度影響很大，長(zhǎng)度越大，陷波頻率位置越?。粚挾仍酱?，陷波頻率位置越大。

第二個(gè)陷波頻率位置受終端短路階梯阻抗諧振器3的長(zhǎng)度影響大，整體長(zhǎng)度越大，陷波頻率位置越小。

介質(zhì)基板6的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1.016mm。

本發(fā)明基于微帶線—槽線結(jié)構(gòu)并具有高頻率選擇陷波特性的Vival di天線，在制造上通過印制電路板制造工藝對(duì)電路基板正面及背面的金屬面進(jìn)行加工腐蝕從而形成所需的金屬圖案。

下面結(jié)合具體實(shí)施例的具體尺寸對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例Vivaldi天線的有關(guān)尺寸規(guī)格如圖5所示。所采用的介質(zhì)基板6相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1.016mm，損耗角正切為0.0009。結(jié)合圖3，該具有陷波特性的Vivaldi天線的各尺寸參數(shù)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，具有陷波特性的超寬帶濾波器的整體面積為70×87.3mm²，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波長(zhǎng)尺寸為2λ_g×2.4λ_g，其中λ_g為通帶中心頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)。

本實(shí)例具有高矩形系數(shù)陷波特性的Vivaldi天線是在電磁仿真軟件HFSS.13中建模仿真的。圖6是本實(shí)例中具有高矩形系數(shù)陷波特性的Vivaldi天線的S參數(shù)仿真圖，從圖中可以看出，該具有高矩形系數(shù)陷波特性的Vivaldi天線的通帶中心頻率為5.5GHz，相對(duì)帶寬為131.2％。兩個(gè)陷波的同時(shí)產(chǎn)生使得該實(shí)例陷波具有良好的頻率選擇特性，在非陷波頻率處，該天線匹配良好。

圖7是本實(shí)例具有高矩形系數(shù)陷波特性的Vivaldi天線的RealizedGain參數(shù)仿真圖，從圖中可以看出，兩個(gè)陷波分別位于5.2GHz和5.8GHz處，兩個(gè)陷波公共撐起一個(gè)濾波通帶，具有良好的矩形系數(shù)，頻率選擇特性良好，在通帶內(nèi)非陷波頻率處，天線的輻射增益良好。

圖8、圖9和圖10是本實(shí)例具有高矩形系數(shù)陷波特性的Vivaldi天線在4GHz、7GHz、10GHz天線輻射方向圖，從圖中可以看出，實(shí)施例的Vivaldi天線具有較好的方向性，可用作定向的UWB系統(tǒng)。

本發(fā)明以上實(shí)施例在傳統(tǒng)的微帶線—槽線耦合饋電的Vivaldi天線的槽線上方分別加載一個(gè)終端開路半波長(zhǎng)諧振器和一個(gè)終端短路階梯阻抗諧振器，從而分別產(chǎn)生兩個(gè)陷波點(diǎn)，而且通過仿真調(diào)試，使得這兩個(gè)陷波適當(dāng)靠近的情況下，共同撐起一個(gè)陷波通帶，改善陷波波形的矩形系數(shù)，提高陷波處的頻率選擇性。

本發(fā)明以上實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

(1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在單片PCB板上實(shí)現(xiàn)，便于加工集成，生產(chǎn)成本低；

(2)本發(fā)明陷波處的頻率選擇性好，適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)；

(3)本發(fā)明基于Vivaldi天線的超寬帶特性，適用于超寬帶背景；

(4)本發(fā)明利用槽線諧振器實(shí)現(xiàn)超寬帶陷波特性，陷波處頻率選擇性良好，非陷波頻率處天線輻射增益高，具有良好的天線方向性。

綜上所述，本發(fā)明的Vivaldi天線結(jié)合半波長(zhǎng)諧振器和階梯阻抗諧振器的特性實(shí)現(xiàn)了一種超寬帶Vivaldi天線，該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、帶寬寬、增益高、輻射效率高、高矩形系數(shù)陷波特性等優(yōu)點(diǎn),非常適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。