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，隨著無線通信市場的競爭，通信朝著高速度、寬頻帶方向發(fā)展，頻譜資源作為一個國家有限的資源，已經(jīng)到了捉襟見肘的地步，因此當前對能夠工作在多頻段多標準下的移動通信設備的需求日益增大。傳統(tǒng)的濾波天線設計方法著眼于天線和濾波器器件本身，先按標準阻抗單元進行獨立的設計和優(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，這會使電路變得復雜，尺寸和損耗也會增大。因而，從天線和濾波器的整體性能出發(fā)，將天線與濾波器進行一體化設計，構(gòu)成結(jié)構(gòu)緊湊的濾波天線。

已有文獻報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天線的基礎上，在饋電的微帶線附近引入三個SIR諧振結(jié)構(gòu)，使得天線在Wlan頻段內(nèi)實現(xiàn)三個陷波點。這種設計方法能夠產(chǎn)生三個陷波通帶，改善陷波處的矩形系數(shù)，但是結(jié)構(gòu)加工復雜，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六邊形開環(huán)諧振器實現(xiàn)的一個陷波的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對稱的Ω型槽線，利用該槽線的長度來控制產(chǎn)生陷波的頻率，該設計產(chǎn)生一個陷波，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)實現(xiàn)具有陷波特性的Vivaldi天線比較復雜，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)簡單、高矩形系數(shù)陷波特性、方向性良好的Vivaldi天線。

實現(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)的對稱軸線依次串接；輸入端口饋線(1)、半波長諧振器(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歐姆微帶線導帶(11)、1/4波長阻抗匹配微帶線(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)的對稱軸線作為對稱軸線，槽線結(jié)構(gòu)(4)的對稱軸線與介質(zhì)基板(6)的長軸同軸。

以上所述的Vivaldi天線，信號經(jīng)由所述的50歐姆微帶線導帶(11)傳入，然后通過四分之一波長阻抗匹配傳輸線(12)與底面槽線結(jié)構(gòu)(4)進行耦合激勵輸入；輸入信號經(jīng)過槽線結(jié)構(gòu)(4)進行傳輸，耦合至終端開路半波長諧振器(2)產(chǎn)生諧振，形成第一個陷波；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歐姆微帶線導帶(11)的長度L₁為27.5mm，寬度W₁為2.8mm；1/4波長匹配線(12)的長度L₂為7.5mm，寬度W₂為1.7mm；矩形微帶短截線(13)長度L₃為7.1mm，寬度W₃為3.3mm；終端開路半波長諧振器(2)的長度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)的長度L₆為11.6mm，寬度W₆為1.3mm；第二高阻抗諧振器(31)的長度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，終端開路半波長諧振器(2)產(chǎn)生第一個陷波，終端短路階梯阻抗諧振器(3)產(chǎn)生第二個陷波，上述兩個陷波經(jīng)由仿真調(diào)試，共同撐起一個陷波頻率帶，達到良好的矩形系數(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,非常適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。

[附圖說明]

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

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

圖2是本發(fā)明實施例Vivaldi天線的俯視圖。

圖3是本發(fā)明實施例Vivaldi天線的仰視圖。

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

圖5是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖6是本發(fā)明實施例的S11參數(shù)仿真圖。

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

圖8至圖10分別是本發(fā)明實施例在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歐姆線導帶，12-四分之一波長阻抗匹配線，13-矩形微帶短截線；

2-終端開路半波長諧振器；

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。

[具體實施方式]

本發(fā)明實施例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的長軸布置，并以矩形介質(zhì)基板6的長軸作為對稱軸線。

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歐姆微帶線導帶11、1/4波長阻抗匹配微帶線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波長阻抗匹配微帶線12與矩形槽線42正交。

終端開路半波長諧振器2布置在圓形諧振腔41的正上方，與槽線結(jié)構(gòu)4的對稱軸線正交，以槽線結(jié)構(gòu)4的對稱軸線作為對稱軸線。終端開路半波長傳輸線2單獨構(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的對稱軸線正交，并以槽線結(jié)構(gòu)4的對稱軸線作為對稱軸。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，這三個諧振器相互連接成一個完整的終端短路的一個波長諧振器3，通過兩端的金屬短路柱與金屬接地板5相接。

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

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

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

介質(zhì)基板6的相對介電常數(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電路基板正面及背面的金屬面進行加工腐蝕從而形成所需的金屬圖案。

下面結(jié)合具體實施例的具體尺寸對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明實施例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，對應的導波長尺寸為2λ_g×2.4λ_g，其中λ_g為通帶中心頻率對應的導波波長。

本實例具有高矩形系數(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，相對帶寬為131.2％。兩個陷波的同時產(chǎn)生使得該實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，兩個陷波分別位于5.2GHz和5.8GHz處，兩個陷波公共撐起一個濾波通帶，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終端開路半波長諧振器和一個終端短路階梯阻抗諧振器，從而分別產(chǎn)生兩個陷波點，而且通過仿真調(diào)試，使得這兩個陷波適當靠近的情況下，共同撐起一個陷波通帶，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)明以上實施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

(1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，可在單片PCB板上實現(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)合半波長諧振器和階梯阻抗諧振器的特性實現(xiàn)了一種超寬帶Vivaldi天線，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、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,非常適用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。