加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线的制作方法

本发明涉及加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线，属于无线通信技术领域。

背景技术：

Vivaldi天线是一种渐变的端射行波天线，自从提出至今三十余年来得到了广泛的研究，尤其是在微带电路中，微带Vivaldi天线被用于组成阵列已成熟地应用在卫星通讯、电磁成像、飞机雷达等领域。Vivaldi天线由于其渐变的槽线结构，使其能够拥有很宽的阻抗带宽，除此之外，它还具有副瓣低、增益高等优点。在结构上相比高增益的喇叭天线等要简单，且尺寸小，制造成本低廉。

近年来,随着毫米波器件研究的兴起以及基片集成电路的发展，Vivaldi天线也在毫米波段应用基片集成电路设计被设计出来，其中，对跖型Vivaldi天线数量最多。为了进一步改善Vivaldi天线的性能，研究人员在天线结构上进行了新的设计，但是这些设计大多有一个共同点就是增加天线的长度，增加天线长度使天线在工作频带内谐振效果更好，同时定向性也有所提升。但是，这也带来一个问题就是大大增加了天线的尺寸，集成难度进一步加大。在本发明中，我们通过加载价格低廉的FR4 Epoxy介质板，并对介质板结构进行特定的设计，使得天线的谐振性能得到显著改善，同时增益也得到明显提高。

本发明设计的加载开槽介质板的宽度高增益Vivaldi天线，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线。

本发明中的加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线由以下6部分组成：中间层介质板，上层介质板，下层介质板，辐射体，馈电单元结构，矩形槽阵列，其中：

a. 中间层介质板为长方形介质板，上下层介质板为厚度线性渐变的长方形介质板；

b. 中间层介质板的上下表面印刷有对跖结构的辐射体，其弧边呈指数渐变；馈电单元结构由SIW馈电结构和渐变形微带馈电结构组成；指数渐变的对跖结构辐射体和SIW馈电结构相连，SIW馈电结构和渐变形微带馈电结构相连；

c. 上层介质板和下层介质板，厚度从右到左线性增加，规格一致，且关于中间层介质板呈轴对称关系；

d. 矩形槽阵列分别开于厚度线性渐变的上层介质板和下层介质板的右端，矩形槽阵列单元长度呈周期性渐变，从右到左由小到大依次递增，且矩形槽阵列以中间层介质板为轴，呈轴对称；

e. 中间层介质板、上层介质板和下层介质板通过压合技术粘合在一起，且上层介质板、下层介质板右端与中间层介质板右端对齐。

所述指数渐变的对跖结构辐射体，SIW馈电结构和渐变形微带馈电结构构成加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线的主体，天线主体上下加载有厚度线性渐变且开有长度周期性渐变矩形槽的介质板；在厚度线性渐变的介质板上开长度周期性增加的矩形槽，使天线增益增加了3.2dB，加载开槽介质板使Vivaldi天线提高了天线工作带宽、增益及辐射稳定性，总工作带宽达20GHz，平均增益达9.92dBi，且方向图E面和H面十分相似，具有良好的辐射稳定性。

本发明与现有Vivaldi天线相比，具有如下优点：

1. 天线尺寸小，结构简单，能很好地满足天线小型化的要求；

2. 新加载的厚度呈渐变状且开有周期性渐变矩形槽的介质板，成本低廉，使天线辐射增益显著提升、辐射特性稳定等优点；

3. 天线具有良好高增益和辐射特性稳定等特点，通过加载上下两层渐变的开槽介质板，获得了25GHz-45GHZ的工作频段，总工作带宽为20GHz，在工作带宽内，天线平均增益9.92dBi，且天线的E面和H面十分相似，辐射特性具有很好的稳定性；

4. 制作成本低、精度高、可重复性好，便于批量生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的中间层介质板上表面结构示意图。

图3为本发明的中间层介质板下表面结构示意图。

图4为本发明的上下层介质板俯视图。

图5为本发明中天线回波损耗（S11）的仿真结果。

图6为本发明中天线增益（Gain）的仿真结果。

图7为本发明在29GHz时E面与H面的仿真方向图。

图8为本发明在34GHz时E面与H面的仿真方向图。

图9为本发明在38GHz时E面与H面的仿真方向图。

图10为本发明在41GHz时E面与H面的仿真方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，本发明中的加载开槽介质板的宽带高增益Vivaldi天线由以下6部分组成：中间层介质板1，上层介质板2，下层介质板3，辐射体4、5，馈电单元结构6、7，矩形槽阵列8、9，其中：

a. 中间层介质板1为长方形介质板，上下层介质板2、3为厚度线性渐变的长方形介质板；

b. 中间层介质板1的上下表面印刷有对跖结构的辐射体4、5，其弧边呈指数渐变；馈电单元结构6、7由SIW馈电结构6和渐变形微带馈电结构7组成；指数渐变的对跖结构辐射体4、5和SIW馈电结构6相连，SIW馈电结构6和渐变形微带馈电结构7相连；

c. 上层介质板2和下层介质板3，厚度从右到左线性增加，规格一致，且关于中间层介质板1呈轴对称关系；

d. 矩形槽阵列8、9分别开于厚度线性渐变的上层介质板2和下层介质板3的右端，矩形槽阵列单元长度呈周期性渐变，从右到左由小到大依次递增，且矩形槽阵列8、9以中间层介质板1为轴，呈轴对称；

e. 中间层介质板1、上层介质板2和下层介质板3通过压合技术粘合在一起，且上层介质板2、下层介质板3右端与中间层介质板1右端对齐。

本发明中Vivaldi天线具有很好的增益和方向特性，介质板1采用介电常数为2.2和损耗角正切为0.0009的Rogers 5880介质材料，其尺寸为28mm×8mm×0.508mm，介质板2、3采用介电常数为4.4和损耗角正切为0.02的FR4介质材料，其长为18.25mm,宽为8mm,厚度从2mm线性渐变到0.5mm，上下层介质板右端分别开有的长度呈周期性渐变的矩形槽，其长度从右到左由小到大依次递增，最小矩形槽长为2.44mm，宽为0.5mm，矩形槽的长度从右到往左依次递增0.8mm，槽间距为0.5mm；天线回波损耗的仿真结果如图5所示，仿真结果显示，通过加载上、下层厚度线性渐变的介质板，该Vivaldi天线获得S11≤-10 dB的工作频段为：25GHz-45GHz，总工作带宽为20GHz，带宽十分宽；在厚度线性渐变的介质板上开长度周期性增加的矩形槽，使天线增益增加了3.2dB，天线增益的仿真结果如图6所示，仿真结果显示，在工作带宽内，该Vivaldi天线增益在10dB上下，具有非常高的增益；天线在29GHz、34GHz、38GHz及41GHz的方向图仿真结果如图7-图10所示，仿真结果显示，该Vivaldi天线的E面和H面十分相似，辐射特性具有很好的稳定性。