一种FR4板超宽带Vivaldi天线的制作方法

本实用新型涉及一种FR4板超宽带Vivaldi天线，属于天线技术领域。

背景技术：

超宽带技术是1960年作为军用雷达技术开发出来的，在雷达和遥感中被广泛应用。近年来作为通信应用在业界受到了巨大的关注。目前，超宽带技术因为其高性能、高速率、低功耗、低成本等优点，被己广泛应用于军事雷达系统、探测成像系统、定位系统、家庭与个人网络等诸多方面。在这样的背景下，对天线的超宽带设计提出了很高的要求，亟需一种小型化、超宽带、馈电简单、辐射方向性好、辐射效率高、整体结构简单，制作方便，成本低的天线。

对拓Vivaldi天线是一种非周期，渐变，端射行波天线，具有较好的宽频带特性、定向辐射特性和固定的相位中心，且结构简单、易于加工、易于馈电、便于集成，十分适合超宽带无线通信系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种小型化、超宽带、馈电简单、辐射方向性好、辐射效率高、整体结构简单，制作方便，成本低的FR4板超宽带Vivaldi天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种FR4板超宽带Vivaldi天线，包括FR4基板，所述FR4基板正反面的辐射贴片为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片关于x轴方向旋转对称；所述辐射贴片包括左右向首尾一体相连的矩形贴片和弧形贴片，所述弧形贴片由两条指数渐变线、一条垂直线和一条水平线围成，两条所述指数渐变线分别为内指数渐变线和外指数渐变线，所述内指数渐变线的末端与垂直线一端相连，所述垂直线的末端与外指数渐变线的末端由所述水平线相连；所述矩形贴片的自由端与所述FR4基板的边缘平齐，所述弧形贴片的自由端与所述FR4基板边缘存在距离。

所述内指数渐变线满足如下方程式y＝0.0581×e^0.1611x-0.5787；所述外指数渐变线满足如下方程式

所述FR4基板的长度Ls为40.8mm，宽度Ws为57.45mm，厚度Hs为1mm。

所述矩形贴片的x轴方向的长度Lf为1.7mm，y轴方向的宽度Wf为1.0mm。

所述内指数渐变线的x轴方向的长度Lfi为31.9mm，高度为Hfi/2＝9.35mm；所述外指数渐变线的x轴方向的长度Lfo＝17.8mm，高度Hfo/2＝21.5mm。

所述水平线和垂直线均距所述FR4基板边缘存在距离。

FR4基板为方形。

对跖Vivaldi天线是一种非周期，渐变，端射行波天线，具有较好的宽频带特性、定向辐射特性和固定的相位中心，且结构简单、易于加工、易于馈电、便于集成，十分适合超宽带无线通信系统。

本实用新型是一种FR4板超宽带Vivaldi天线，该天线使用了对跖型结构，在厚度为1mm的FR4基板上实现，整体结构简单，制作方便，成本较低。该天线还具有小型化、超宽带、馈电简单、辐射方向性好、辐射效率高等特点。该天线驻波比小于2的阻抗带宽为3-40GHz，全频覆盖S、C、X、Ku、K、Ka六个波段，可广泛地应用于雷达、声呐、导航定位和军事对抗等领域。

为了提高传统Vivaldi天线的带宽，实现超宽带和小型化的特性，本实用新型设计了一个正反面辐射贴片为相同结构的对跖型Vivaldi天线，其中正反面辐射贴片关于主轴方向旋转对称。首先，采用CST电磁仿真软件(基于时域有限积分法)对天线进行仿真优化设计，从而确定每个电磁参数的尺寸。然后，基于Altium Designer软件绘制该天线的PCB版图，采用厚度为1mm的FR4基板加工实物。最后，使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪测试驻波比，该FR4板超宽带Vivaldi天线驻波比小于2的阻抗带宽为3-40GHz。

本实用新型对传统对跖Vivaldi天线进行改进，使其基板(即FR4基板)两侧的金属导体层(即辐射贴片)关于主轴辐射方向(x轴方向)旋转对称，从而设计出小型化对跖型Vivaldi天线。该天线的带宽为3-50GHz，具有馈电简单、辐射方向性好、超带宽、辐射效率高的特点。全频覆盖C、X、Ku、K、Ka五个波段，可广泛地应用于无线通信、雷达、定位、监测、控制和医学等领域，发展潜力巨大。

本实用新型提供的一种FR4板超宽带Vivaldi天线，正反面的辐射贴片为相同结构的对跖型Vivaldi天线的设置，实现了天线的超宽带和小型化，而且正反两面结构完全一致，方向图对称性较好，增益峰值偏移角度小，辐射方向性好；基板材料是最普通的FR4板的设置，使本实用新型整体结构简单，制作方便，成本低；弧形贴片的自由端与FR4基板边缘存在距离的设置，使本实用新型馈电简单，辐射效率高；指数型结构的函数表达式，使本实用新型结构固定，易于制作，并且辐射方向性好、辐射效率高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型驻波比仿真结果示意图；

图3为本实用新型驻波比实测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，一种FR4板超宽带Vivaldi天线，包括FR4基板1，所述FR4基板1正反面的辐射贴片2为相同结构的对跖型Vivaldi天线，两所述辐射贴片2关于x轴方向旋转对称；所述辐射贴片2包括左右向首尾一体相连的矩形贴片5和弧形贴片6，所述弧形贴片6由两条指数渐变线、一条垂直线9和一条水平线10围成，两条所述指数渐变线分别为内指数渐变线7和外指数渐变线8，所述内指数渐变线7的末端与垂直线9一端相连，所述垂直线9的末端与外指数渐变线8的末端由所述水平线10相连；所述矩形贴片5的自由端与所述FR4基板1的边缘平齐，所述弧形贴片6的自由端与所述FR4基板1边缘存在距离。

FR4基板1尺寸为57.45mm(宽)×40.8mm(长)×1mm(厚)，所述内指数渐变线7满足如下方程式y＝0.0581×e^0.1611x-0.5787；所述外指数渐变线8满足如下方程式

本实用新型的正反面金属辐射贴片2结构完全相同，关于主轴辐射方向旋转对称，这样可以有效地修正天线方向图的不对称性。该天线的馈线长度Lf＝1.7mm，馈线宽度Wf＝1.0mm，内指数线长度Lfi＝31.9mm，两条内指数线总高度Hfi＝18.7mm，外指数线长度Lfo＝17.8mmmm，两条外指数线总高度Hfo＝43.0mm，金属导体层(即辐射贴片2)厚度为0.036mm。

如图2所示，为本实用新型的驻波比仿真结果示意图，采用CST电磁仿真软件来进行仿真分析，得到驻波比仿真结果。由驻波比仿真结果可知，在2-40GHz频率范围内驻波比小于3，在2.4-40GHz频率范围内驻波比小于2，带宽在高频段还具有可扩展性。

如图3所示，为本实用新型的驻波比实测结果示意图，使用Altium Designer软件绘制该天线的PCB版图，选择厚度为1mm的FR4板材对实物进行加工，加工精度为0.1mm。FR4板价格便宜，加工方便，大大减小了加工成本。实物加工成型后，使用Aglient E8361-000009型矢量网络分析仪对天线的驻波比进行测量，由驻波比实测结果可知，在2-40GHz频率范围内驻波比小于3，在3-40GHz频率范围内驻波比小于2，倍频带宽为13.3。此外，由驻波比实测结果可知，该天线的带宽在大于40GHz的高频段还具有可扩展性，与驻波比仿真结果基本吻合。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。