[发明专利]一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线

说明书

本发明公开了一种垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线，属于无线通信技术和雷达技术领域。该天线包括金属接地板、指数渐变板、矩形开槽板、以及同轴线；所述指数渐变板垂直放置于金属接地板、矩形开槽板之间，与金属接地板之间形成一个渐变槽。本发明在贴近金属接地板的情况下，在很宽的频带内实现近似端射方向上的辐射；大幅度降低了Vivaldi天线剖面高度的情况下，保留指数渐变Vivaldi天线的宽带特性，在端射方向上实现了良好的宽带辐射特性。本发明天线结构紧凑，加工装配简单，具有足够的机械强度，可以被应用于实际。

技术领域

本发明属于无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及以同轴线直接馈电，实现垂直极化的超宽带低剖面Vivaldi天线。

背景技术

超宽带天线应用于有大工作带宽需求的无线通信系统，具有低功耗、高数据传输速率、高时间分辨率、强抗干扰能力、低成本等优势。自上世纪60年代起，超宽带技术主要应用于政府以及军事的无线电通信和雷达系统领域。为使超宽带技术能够应用于商业市场，并且与其他已经存在的电子系统不相互干扰，从2002年起，几个国家制定了低于900MHz和3.1-10.6GHz的带宽标准，可直接用于超宽带系统而无须得到授权。这使得超宽带的应用更为广泛，包括成像、车载雷达、通信和测试系统等，同时也不可避免地为超宽带天线设计带来了巨大挑战，需要考虑阻抗匹配、群延迟、辐射特性、低成本、小体积等诸多因素来实现超宽带特性。目前能够实现超宽带端射天线的主要结构有两种：一是渐变结构，将天线视为从50Ω输入阻抗变换到377Ω自由空间的匹配网络，渐变结构能使阻抗在很宽的频率范围内保持稳定，保证天线获得很宽的阻抗带宽，主要形式是由介质基板和渐变开槽金属板构成的渐变槽线天线；二是非频变结构，天线以任意比例变换后仍等于原来的结构，比较典型的是螺旋天线和对数周期天线。

Vivaldi天线是P.J.Gibson于1979年提出的一种超宽带端射渐变槽天线，电磁波沿指数槽线传播，不同频率的电磁波在不同宽度的槽开口处开始辐射，属于非频变天线和行波天线的一种，被广泛应用于超宽带系统、相控阵天线、探测雷达等领域。Vivaldi天线主要有两点优势：一是易于制造，成本低廉，通过PCB加工工艺印刷在介质基板上，而且由于平面结构，容易与单片微波集成电路集成在一起；二是拥有良好的辐射特性，比如超宽带、高增益、宽波束、低副瓣以及低交叉极化等，在端射方向上，E面(平行于介质基板)和H面(垂直于介质基板)的波束宽度近似相等，即有着近乎对称的端射波束形状，可以作为透镜天线和反射面天线的馈源。随着天线长度的增加，波束宽度变窄。传统Vivaldi天线一般通过印刷在介质基板两侧的微带槽线装置来馈电，其带宽主要受到该馈电结构的限制，如果设计得当，能够实现高达6:1，甚至是10:1的VSWR小于2的带宽。通过对大量的参数进行研究后发现，Vivaldi天线的渐变槽天线长度大于一个最低频率的波长时能够实现最佳性能，这意味着想要保证Vivaldi天线好的低频辐射特性，其平面尺寸会很大。

Vivaldi天线在超宽带通信系统中的优势非常明显，辐射特性优异而且成本低廉。但是当Vivaldi天线在贴近金属面的地方工作时，其辐射特性会受到很大影响。平行于金属面放置时，如果间距较小，其微带槽线馈电装置会受到金属面的影响而恶化，导致整个天线的辐射性能下降，另外波束指向会偏离端射方向；垂直于金属面放置时，在垂直面上高度会很大，天线的机械强度难以得到保障。因此，结合天线的使用场景，对传统的Vivaldi天线进行改进并应用于超宽带通信系统中具有很大的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于：结合实际的应用场景，对传统Vivaldi天线进行改进，用以实现超宽带低剖面端射。本发明的一种垂直极化的超宽带低剖面折叠Vivaldi天线，可以大幅度降低Vivaldi天线的剖面高度，使得整个天线结构更为紧凑，同时保证天线在很宽的频带内具有良好的朝端射方向的辐射特性。本发明天线的加工与装配简单，具有足够的机械强度，可以被应用于实际。