本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种加载天线。
背景技术：
随着无线电技术及通信技术的发展，现代化雷达的性能越来越强大，而天线作为现代化雷达的重要组成部分，天线的性能直接影响着现代化雷达的性能。vivaldi天线具有结构简单、超宽频带特性。除此以外，vivaldi天线还具有副瓣电平低、增益适中、波束宽度可调等优点，无论单独使用还是作为阵列单元都具有良好的性能。因此，现代雷达多采用vivaldi天线。
在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统vivaldi天线由于馈电结构的限制，vivaldi天线的低频截止频率往往比较高，馈电的耦合方式消耗了一定程度的能量，尤其是低频段的能量。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的vivaldi天线低频段增益较低、截止频率较高的问题，提供一种加载天线。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种加载天线，包括：
介质基板，介质基板包括第一板面和与第一板面相对的第二板面；
金属层，设置在第一板面上；及
馈电单元，设置在第二板面上；馈电单元的一侧端通过金属通孔连接金属层；
其中，金属层设有指数渐变开槽、过度槽、至少一对椭圆弧开槽及至少一对半椭圆形开槽；指数渐变开槽设置在金属层的中部，且指数渐变开槽的开口靠近第一板面的一侧端；指数渐变开槽的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽，指数渐变开槽的槽线末端设有过度槽；过度槽的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽；过度槽的槽线末端设有加载电阻，加载电阻电连接在过度槽末端槽线的两侧金属层之间；
过度槽、椭圆弧开槽和半椭圆形开槽分别基于指数渐变开槽末端所指方向的轴线对称。
在其中一个实施例中，同一侧金属层上的各椭圆弧开槽从第一板面的一侧端按照预定间隔排列，且各椭圆弧开槽的开槽深度按照预设增量值依次递增。
在其中一个实施例中，椭圆弧开槽为三对，且分别为一对第一椭圆弧开槽、一对第二椭圆弧开槽和一对第三椭圆弧开槽；同一侧金属层上的第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽从第一板面的一侧端按照预定间隔排列，且第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽的开槽深度按照预设增量值依次递增。
在其中一个实施例中，半椭圆形开槽为一对；两个半椭圆形开槽之间的长轴在同一直线上，且分别垂直于指数渐变开槽末端所指方向的轴线。
在其中一个实施例中，过度槽包括三角形槽和矩形槽；三角形槽设置在指数渐变开槽的槽线末端，且三角形槽的尖端与指数渐变开槽的末端连通；三角形槽尖端相对的边端设有矩形槽，且三角形槽与矩形槽连通；矩形槽的槽线末端设有加载电阻，加载电阻电连接在矩形槽末端槽线的两侧金属层之间。
在其中一个实施例中，加载电阻的阻值大于或等于300欧姆。
在其中一个实施例中，馈电单元包括第一传输线和第二传输线；第一传输线的第一首端通过金属通孔连接金属层，第一尾端连接第二传输线的第二首端；第二传输线的第二尾端连接馈电接口；馈电单元呈直角形状。
在其中一个实施例中，第一传输线包括第一传输段和第二传输段；第二传输线包括第三传输段和第四传输段；
第一传输段的首端通过金属通孔连接金属层，第一传输段的尾端连接第二传输段的首端；第二传输段的尾端连接第三传输段的首端；第三传输段的尾端连接第四传输段的首端，第四传输段的尾端连接馈电接口。
在其中一个实施例中，第一传输段、第二传输段、第三传输段和第四传输段的宽度按阶梯式递增。
在其中一个实施例中，第一传输段的宽度为l1，第二传输段的宽度为l2，第三传输段的宽度为l3，第四传输段的宽度为l4，且l1、l2、l3和l4呈等差数列。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
在介质基板的第一板面上设置有金属层，在介质基板的第二板面上设置馈电单元，馈电单元的一侧端通过金属通孔连接金属层，其中，金属层设有指数渐变开槽、过度槽、至少一对椭圆弧开槽及至少一对半椭圆形开槽，指数渐变开槽的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽，指数渐变开槽的槽线末端设有过度槽，过度槽的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽，加大了天线面电流密度，且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽上。在过度槽的槽线末端设有加载电阻，且加载电阻电连接在过度槽末端槽线的两侧金属层之间，降低了馈电单元阻抗的虚部，降低了天线的低频截止频率，进而增大了天线的低频段增益。
附图说明
图1为一个实施例中加载天线的第一结构示意图；
图2为一个实施例中椭圆弧开槽的开槽示意图；
图3为一个实施例中第一板面的第一结构示意图；
图4为一个实施例中第二板面的第一结构示意图；
图5为一个实施例中第二板面的第二结构示意图；
图6为一个实施例中第二板面的第三结构示意图；
图7为一个实施例中加载天线的第二结构示意图；
图8为一个实施例中第一板面的第二结构示意图；
图9为一个实施例中加载天线的实测与仿真驻波的波形示意图；
图10a为加载天线在0.8ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；
图10b为加载天线在1ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；
图10c为加载天线在1.5ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；
图10d为加载天线在2ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；
图10e为加载天线在3ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；
图10f为加载天线在4ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了解决传统的vivaldi天线低频段增益较低的问题，本发明实施例提供了一种加载天线，图1为一个实施例中加载天线的第一结构示意图。如图1所示，包括：
介质基板11，介质基板11包括第一板面12和与第一板面12相对的第二板面13。
金属层120，设置在第一板面12上。
馈电单元130，设置在第二板面13上；馈电单元130的一侧端通过金属通孔14连接金属层120。
其中，金属层120设有指数渐变开槽121、过度槽123、至少一对椭圆弧开槽125及至少一对半椭圆形开槽127；指数渐变开槽121设置在金属层120的中部，且指数渐变开槽121的开口靠近第一板面12的一侧端；指数渐变开槽121的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽125，指数渐变开槽121的槽线末端设有过度槽123；过度槽123的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽127；过度槽123的槽线末端设有加载电阻129，加载电阻129电连接在过度槽123末端槽线的两侧金属层之间。过度槽123、椭圆弧开槽125和半椭圆形开槽127分别基于指数渐变开槽121末端所指方向的轴线对称。
其中，介质基板11用于搭载天线主体，介质基板可为陶瓷电路板、铝基电路板、pcb(printedcircuitboard，印刷电路板)板等等，优选的，介质基板11为pcb板。进一步的，介质基板11为双面板。例如，介质基板11的材质可采用fr-4(环氧板)板材，介质基板11的相对介电常数为εr＝4.4，介质基板11的损耗正切为tanδ＝0.02，介质基板11的厚度为0.5mm(毫米)。
具体地，在介质基板11的第一板面12上设置有金属层120，在介质基板11的第二板面13上设置有馈电单元130，馈电单元130的一侧端通过金属通孔14连接金属层120，进而实现金属层120与馈电单元130之间的电连接。其中，金属层120可印制在第一板面12上，馈电单元130可印制在第二板面13上。优选的，金属层120的材质可以是铜材质，馈电单元130的材质可以是铜材质。馈电单元130可以是微带传输线。进一步的，馈电单元130与过度槽123构成天线主体的馈电结构。
在金属层120的中部设置有指数渐变开槽121，指数渐变开槽121的开口靠近第一板面12的一侧端。其中，指数渐变开槽121基于指数渐变开槽末端所指方向的轴线对称。指数渐变开槽121的两条槽线可分别由指数曲线函数确定。
在指数渐变开槽121的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽125。其中，椭圆弧开槽125的开口靠近第一板面12的边端。椭圆弧开槽125的两条槽线可分别由相同椭圆中心、不同长轴和不同短轴的椭圆弧线构成。椭圆弧开槽125基于指数渐变开槽121末端所指方向的轴线对称。椭圆弧开槽125至少一对，优选的，椭圆弧开槽125至少一对三对。通过在指数渐变开槽121的槽线两侧金属层上分别设置椭圆弧开槽125，加大了天线的电流密度，并且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽121的槽线上。
在一个实施例中，如图2所示，为椭圆弧开槽的开槽示意图。其中，在xy坐标系上包括若干第一类椭圆和若干第二类椭圆。第一类椭圆的椭圆中心为o点，且长轴固定为x1；第二类椭圆的椭圆中心为o点，且长轴固定为x2，x2>x1。在xy坐标系的第一象限中，依次从靠近y轴正指向方向的第一类椭圆的弧线与靠近y轴正指向方向的第二类椭圆的弧线相交构成椭圆弧开槽125。
在指数渐变开槽121的槽线末端设有过度槽123。过度槽123基于指数渐变开槽121末端所指方向的轴线对称。过度槽125可以呈五边形结构。过度槽125的一尖端设置在指数渐变开槽121的槽线末端，靠近指数渐变开槽121的槽线末端的两条槽线依次对应连接指数渐变开槽121的槽线，使得过度槽123与指数渐变开槽121连通。
在过度槽123的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽127。其中，半椭圆形开槽127的开口靠近第一板面12的边端。半椭圆形开槽127基于指数渐变开槽121末端所指方向的轴线对称。通过在过度槽123的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽127，加大了天线的电流密度，且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的过度槽123的槽线上。
在过度槽123的槽线末端设有加载电阻129，加载电阻129电连接在过度槽123末端槽线的两侧金属层之间。其中，加载电阻129可以是贴片电阻。优选的，将过程槽123槽线末端的中部断开，在过度槽123槽线末端的中部焊接加载电阻129。通过在过度槽123的槽线末端设置加载电阻129，可降低馈电结构的阻抗虚部，进而降低了天线的截止频率，实现调节天线的阻抗带宽。
上述实施例中，在介质基板的第一板面上设置有金属层，在介质基板的第二板面上设置馈电单元，馈电单元的一侧端通过金属通孔连接金属层，其中，金属层设有指数渐变开槽、过度槽、至少一对椭圆弧开槽及至少一对半椭圆形开槽，指数渐变开槽的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽，指数渐变开槽的槽线末端设有过度槽，过度槽的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽，加大了天线面电流密度，且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽上。在过度槽的槽线末端设有加载电阻，且加载电阻电连接在过度槽末端槽线的两侧金属层之间，降低了馈电单元阻抗的虚部，降低了天线的低频截止频率，进而增大了天线的低频段增益。
在一个实施例中，同一侧金属层上的各椭圆弧开槽从第一板面的一侧端按照预定间隔排列，且各椭圆弧开槽的开槽深度按照预设增量值依次递增。
其中，预定间隔量取决于指数渐变开槽的槽线长度。开槽深度的预设增量值可根据图2中椭圆弧开槽的开槽原理确定。如图2所示，在xy坐标系上包括若干同椭圆中心且不同长短轴的椭圆。如x1y2椭圆、x1y3椭圆、x1y4椭圆、x2y1椭圆、x2y2椭圆和x2y3椭圆。其中，x2>x1；y4>y3>y2>y1。在xy坐标系的第一象限中，靠近y轴的x1y4椭圆的弧线与靠近y轴的x2y3椭圆的弧线构成第一椭圆弧开槽；靠近y轴的x1y3椭圆的弧线与靠近y轴的x2y2椭圆的弧线构成第二椭圆弧开槽；靠近y轴的x1y2椭圆的弧线与靠近y轴的x2y1椭圆的弧线构成第三椭圆弧开槽。第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽的开槽深度依次递增。
需要说明的是，x1y2椭圆指的是椭圆中心为o点，长轴为x1，短轴为y2的椭圆；x2y1指的是椭圆中心为o点，长轴为x2，短轴为y1的椭圆。同理，x1y3椭圆、x1y4椭圆、x2y2椭圆和x2y3椭圆以此类推。
在一个实施例中，如图3所示，椭圆弧开槽125为三对，且分别为一对第一椭圆弧开槽、一对第二椭圆弧开槽和一对第三椭圆弧开槽；同一侧金属层上的第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽从第一板面的一侧端按照预定间隔排列，且第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽的开槽深度按照预设增量值依次递增。
具体地，第一椭圆弧开槽与第二椭圆弧开槽的间隔等于第二椭圆弧开槽与第三椭圆弧开槽的间隔。第一椭圆弧开槽、第二椭圆弧开槽和第三椭圆弧开槽可根据图2中的椭圆弧开槽的开槽原理确定。通过在指数渐变开槽121的槽线两侧金属层上分别设有三个椭圆弧开槽，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽的槽线上，在保证天线的小型化的同时，增大了天线的低频段增益。
在一个实施例中，如图3所示，半椭圆形开槽127为一对；两个半椭圆形开槽127之间的长轴在同一直线上，且分别垂直于指数渐变开槽121末端所指方向的轴线。
具体地，半椭圆形开槽128的开口靠近第一板面12的边端。半椭圆形开槽128长轴的长度小于第一板面的边端至指数渐变开槽121末端所指方向的轴线的距离。
在一个实施例中，两个半椭圆形开槽之间的短轴在同一直线上，且分别垂直于指数渐变开槽末端所指方向的轴线。
在一个实施例中，如图3所示，过度槽123包括三角形槽122和矩形槽124；三角形槽122设置在指数渐变开槽121的槽线末端，且三角形槽122的尖端与指数渐变开槽121的末端连通；三角形槽122尖端相对的边端设有矩形槽124，且三角形槽122与矩形槽124连通；矩形槽124的槽线末端设有加载电阻129，加载电阻129电连接在矩形槽124末端槽线的两侧金属层之间。
其中，三角形槽122可以是等腰三角形结构，矩形槽124可以是正方形结构。三角形槽122的底边长度等于靠近三角形槽122底边的矩形槽124侧边长度。
具体地，在矩形槽124的槽线末端设置加载电阻129，使得加载电阻与天线辐射区的阻抗并联，有效地降低过度槽123与馈电单元之间的阻抗虚部，起到降低天线截止频率的作用。
在一个实施例中，加载电阻的阻值大于或等于300欧姆。
具体地，在加载电阻的阻值大于或等于300欧姆时，加载电阻基本不损耗能量。
在一个实施例中，如图4所示，馈电单元130包括第一传输线132和第二传输线134；第一传输线132的第一首端通过金属通孔14连接金属层120，第一尾端连接第二传输线134的第二首端；第二传输线134的第二尾端连接馈电接口15；馈电单元130呈直角形状。
具体地，馈电接头可以是sma接头(sma反极性公头：smarpm)。第二传输线134的线宽大于等于第一传输项132的线宽。将馈电单元130包括的第一传输线和第二传输线设计成直角形状，可增强天线的馈电能力。
在一个实施例中，如图5所示，第一传输线132包括第一传输段131和第二传输段133；第二传输线134包括第三传输段135和第四传输段137。
第一传输段131的首端通过金属通孔14连接金属层120，第一传输段131的尾端连接第二传输段133的首端；第二传输段133的尾端连接第三传输段135的首端；第三传输段135的尾端连接第四传输段137的首端，第四传输段137的尾端连接馈电接口15。
具体地，第一传输段131的线宽大于第二传输段133的线宽，第二传输段131的线宽大于第三传输段133的线宽，第三传输段131的线宽大于第四传输段133的线宽。
在一个实施例中，第一传输段131、第二传输段133、第三传输段135和第四传输段137的宽度按阶梯式递增。
在一个实施例中，如图6所示，第一传输段的宽度为l1，第二传输段的宽度为l2，第三传输段的宽度为l3，第四传输段的宽度为l4，且l1、l2、l3和l4呈等差数列。
具体地，相邻两段的传输段的宽度差相等。例如，第二传输段与第一传输段的宽度差等于第三传输段与第二传输段的宽度差。即l2-l1＝l3-l2。
进一步的，第一传输线132的长度为lf1，第二传输线134的长度为lf2，且lf1＝lf2。第一传输段131的一端通过金属通孔14电连接第一板面的金属层，其中，金属通孔14的中心至指数渐变开槽末端所指方向的轴线的距离为lp。优选的，金属通孔14的半径为lp。金属通孔14设置在靠近过度槽的一侧端。通过对馈电单元设计成四小段传输段，且四小段传输段的宽度依次递增，进一步增强了天线的馈电能力。
在一个实施例中，如图7所示，为加载天线的第二结构示意图。该加载天线包括具有第一板面72和第二板面73的介质基板71。在介质基板71的第一板面72上印刷有金属层720，在介质基板71的第二板面73上印刷有馈电单元730，馈电单元730的一侧端通过金属通孔74连接金属层720。其中第一板面72上的金属层720设有指数渐变开槽721、过度槽723、至少一对椭圆弧开槽725及至少一对半椭圆形开槽727。过度槽723的槽线末端设有加载电阻729，加载电阻729电连接在过度槽723末端槽线的两侧金属层之间。
具体地，介质基板可以是矩形板。该加载天线能够覆盖的频段范围为700mhz-4000mhz(兆赫兹)。
优选的，该加载天线的尺寸为：150mm×150mm×0.508mm。
通过在介质基板的第一板面上设置有金属层，在介质基板的第二板面上设置馈电单元，馈电单元的一侧端通过金属通孔连接金属层，其中，金属层设有指数渐变开槽、过度槽、至少一对椭圆弧开槽及至少一对半椭圆形开槽，指数渐变开槽的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽，指数渐变开槽的槽线末端设有过度槽，过度槽的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽，加大了天线面电流密度，且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽上。在过度槽的槽线末端设有加载电阻，且加载电阻电连接在过度槽末端槽线的两侧金属层之间，降低了馈电单元阻抗的虚部，降低了天线的低频截止频率，进而保证了天线的小型化，同时增大了天线的低频段增益。
在一个实施例中，如图8所示，将第一板面72设置在yoz坐标平面上，即金属层720放置在yoz坐标平面上，指数渐变开槽721的开口方向朝向z轴的正方向。则指数渐变开槽721的槽线可由指数曲线公式确定：
z＝±(c1eqy+c2)
根据指数渐变开槽721的设置在金属层720的位置，可知，指数渐变开槽721的槽线的起始点坐标(y1,z1)和终止点坐标(y2,z2)。则可得指数渐变开槽721的槽线的参数c1和c2：
在一个实施例中，如图9所示，为加载天线的实测与仿真驻波的波形示意图。图中横坐标freq(ghz)为频率(吉赫兹)，纵坐标vswr(voltagestandingwaveratio)为电压驻波比。如图可知，本实施例加载天线在0.7ghz--4ghz范围内的驻波比小于2，且实测波形与仿真波形接近，解决了天线小型化的问题。
在一个实施例中，如图10所示，为加载天线的xoz面与yoz面的辐射方向图。其中图10a为加载天线在0.8ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；图10b为加载天线在1ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；图10c为加载天线在1.5ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；图10d为加载天线在2ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；图10e为加载天线在3ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图；图10f为加载天线在4ghz频段的xoz面与yoz面的辐射方向图。根据图示可知，本实施例加载天线在各个频段的辐射方向图稳定，波束变化平缓。而且本实施例加载天线在低频端0.8ghz的频率上辐射效率有了极大地改善，辐射效率达到69％，增益达到了2.7db，增大了天线的低频段增益。
上述各实施例中，在介质基板的第一板面上设置有金属层，在介质基板的第二板面上设置馈电单元，馈电单元的一侧端通过金属通孔连接金属层，其中，金属层设有指数渐变开槽、过度槽、至少一对椭圆弧开槽及至少一对半椭圆形开槽，指数渐变开槽的槽线两侧金属层上分别设有椭圆弧开槽，指数渐变开槽的槽线末端设有过度槽，过度槽的槽线两侧金属层上分别设有半椭圆形开槽，加大了天线面电流密度，且减弱了天线边缘电流，使电流主要集中在天线中央的指数渐变开槽上。在过度槽的槽线末端设有加载电阻，且加载电阻电连接在过度槽末端槽线的两侧金属层之间，降低了馈电单元阻抗的虚部，降低了天线的低频截止频率，进而增大了天线的低频段增益。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。