一款2-70GHz超宽带、全金属Vivaldi天线

本发明属于超宽带天线，特别涉及一款工作频率在2-70ghz的超宽带、全金属vivaldi天线。

背景技术：

1、超宽带(uwb)天线是天线理论中的一个重要研究课题，广泛应用于诸多领域，如宽带探地雷达、生物医学检测、uwb通信系统以及等离子体微波诊断。近年来，超宽带微波诊断已成为等离子体反射诊断的一个重要发展趋势，uwb电磁传播可以增加等离子体电子密度的诊断范围，在超宽带等离子体诊断系统中，超宽带天线是必不可少的部件，而且在高温等离子体诊断环境中，天线必须有承受高温的特性，且其辐射性能稳定。

2、在各种uwb天线中，vivaldi天线由于其结构简单、重量轻、超宽带阻抗特性、高度定向辐射和稳定的方向图而成为优秀的候选者。为了便于加工，传统的vivaldi天线通常使用印刷电路板(pcb)制造技术，根据基板同侧或不同侧的指数形曲线分布，天线可分为两类，共面vivaldi天线和对踵vivaldi天线。共面vivaldi天线的结构是基板的一面印刷vivaldi，另一面为微带扇形匹配线，由于指数形曲线和馈线是分开的，共面vivaldi天线的带宽受到限制，通常约为8：1带宽，在这种结构中，共面vivaldi天线中的扇形匹配结构也会产生辐射，这可能导致天线方向图的恶化；而对踵vivaldi天线，两个vivaldi臂印刷在基板的两侧，由于馈电过渡线具有天然的超宽带特性，即微带线平滑过渡到平行带状线结构，因此对踵vivaldi可以实现10：1以上的带宽，然而，由于指数形曲线的两个臂被印刷在基板的不同侧上，导致对踵vivaldi天线交叉极化相对较高。到目前为止，还没有满足uwb应用的vivaldi天线具有超过35：1的阻抗带宽。pcb技术加工的vivaldi天线结构强度差，无法承受高温等恶劣环境。

3、近年来，采用线切割工艺的全金属vivaldi天线一直是一个重要的研究方向。全金属vivaldi天线通常使用铝作为加工材料，与pcb技术相比，材料成本和加工成本更低。此外，金属的传输损耗低于高频电介质板的传输损耗，因此天线增益较高。e.g.tianang等人提出了一种全金属背腔vivaldi天线，天线形成3×4阵列，vivaldi天线在1.5-7.5ghz的频率范围内实现了vswr<2的性能(e.g.tianang,m.a.elmansouri,d.s.filipovic,“ultra-wideband lossless cavity-backed vivaldi antenna,”ieee trans.antennas propag.,vol.66,(1),pp.115-124,2018.)；张青春等人提出了一种改进的全金属vivaldi单元天线，该天线在5-14ghz的范围内实现了电压驻波比(vswr)小于2.0的性能(q.zhang,m.yang,z.jiang,x.liu,s.gao,and h.zhang,“design and research ofan ultra-widebandmetal antenna with low radar cross section,”application of electronictechnique,vol.44(6),2018.)。然而，上述全金属vivaldi天线用于相控阵，单个vivaldi单元的阻抗性能在个别情况下相对较差。

4、公开号为cn116613530 a的专利申请文件，公开了一种基于碳基材料mxene和三维打印技术的轻质超宽带天线，利用碳基材料mxene作为天线材料，沿垂直方向设有内部中空的vivaldi天线单元和底部的同轴馈电结构，vivaldi天线单元在中轴线的上部为特定形状的弧线形开口，下部为连接体，在连接体和弧形开口之间设有特定尺寸的渐变槽线结构和l形槽线结构，在l形槽线水平部分的末端设有矩形匹配圆，虽然指数形曲线与馈电结构连接，但连接部分具有较大的非平滑性，带宽受到限制，最大带宽仅为12：1，并且上述金属vivaldi天线的工作频率均低于25ghz，现有技术中工作频率大于30ghz的vivaldi天线的几乎很少。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，通过在指数型渐变曲线的起始处增加了一个倾斜槽，且优化vivaldi板厚度，可大大拓宽阻抗性能。

2、为了实现上述目的，本发明提出以下的技术方案：

3、一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，包括金属板1，金属板1的底端配置支撑底板3，同轴连接器2贯穿支撑底板3与金属板1连接，金属板1的上部内侧开设指数型渐变曲线开口4，金属板1的下部开设匹配圆6，指数型渐变曲线开口4和匹配圆6之间的金属板1上开设有倾斜槽5，指数型渐变曲线开口4的起始端连接倾斜槽5的一端，倾斜槽5的另一端连接匹配圆6。

4、所述金属板1的两侧开设有梳状结构7。

5、所述倾斜槽5的宽度与指数型渐变曲线开口4起始端的宽度保持一致。

6、所述倾斜槽5的倾斜角度在13～27°之间。

7、所述金属板1的厚度小于工作频率最高频的半个波长。

8、所述同轴连接器2的内导体与倾斜槽5和匹配圆6连接的一端上表面接触。

9、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

10、(1)传统的金属vivaldi天线在指数型曲线的开始处直接馈电，馈电端口在金属板的一侧，本发明在指数型渐变曲线4的起始处增加了一个倾斜槽5，延长金属板的长度并增加电流传输路径，并在金属板1的两侧添加梳状结构7，可以改善低频带的阻抗特性，倾斜槽5的引入还增加了可调参数，即倾斜角度和倾斜槽尺寸，可以加宽天线的阻抗带宽，本发明实现了35：1的超宽阻抗带宽，能够更好地应用于超宽频检测和高温等离子体诊断环境中。

11、(2)本发明相对于pcb技术加工的vivaldi天线，所用材料成本和加工成本更低，且金属的传输损耗低于高频电介质板的传输损耗，具有天线增益较高的特点。

12、(3)与传统vivaldi天线的侧边馈电不同，本发明增加倾斜槽5后可在金属板1端部进行馈电，同轴连接器2可以直接位于金属板1的端部，具有更容易安装的特点。

13、综上所述，本发明通过在指数型渐变曲线的起始处增加了一个倾斜槽，大大拓宽阻抗性能，同时减小金属板厚度，可极大改善高频阻抗性能。本发明的天线具有结构简单、成本低、超宽带、方向图稳定的特点，在超宽频检测和等离子体诊断方面有明显的优势。

技术特征：

1.一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，包括金属板(1)，其特征在于，所述金属板(1)的底端配置支撑底板(3)，同轴连接器(2)贯穿支撑底板(3)与金属板(1)连接，金属板(1)的上部内侧开设指数型渐变曲线开口(4)，金属板(1)的下部开设匹配圆(6)，指数型渐变曲线开口(4)和匹配圆(6)之间的金属板(1)上开设有倾斜槽(5)，指数型渐变曲线开口(4)的起始端连接倾斜槽(5)的一端，倾斜槽(5)的另一端连接匹配圆(6)。

2.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，所述金属板(1)的两侧开设有梳状结构(7)。

3.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，所述倾斜槽(5)的宽度与指数型渐变曲线开口(4)起始端的宽度保持一致。

4.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，所述倾斜槽(5)的倾斜角度在13～27°之间。

5.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，所述金属板(1)的厚度小于工作频率最高频的半个波长。

6.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，所述同轴连接器(2)的内导体与倾斜槽(5)和匹配圆(6)连接的一端上表面接触。

7.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，金属板(1)顶部到支撑底板(3)的垂直距离l为80mm，从金属板(1)顶部到指数型渐变曲线开口(4)的起始端的垂直距离l0为68.25mm，从倾斜槽(5)的起始端到倾斜槽(5)的终止端的垂直距离l1为3.6mm，从倾斜槽(5)的起始端到倾斜槽(5)的终止端的水平距离l2为9.2mm，从倾斜槽(5)的起始端到匹配圆(6)圆心的水平距离l3为12.95mm，金属板(1)的宽度w为60mm，指数型渐变曲线开口(4)的开口处水平距离w0为38mm，指数型渐变曲线开口(4)的起始端水平距离w1为0.8mm，支撑底板(3)为正方形，边长长度w2为90mm，匹配圆(6)的直径d0为7.5mm，金属板(1)的整体厚度h为1.5mm，匹配圆(6)与支撑底板(3)之间的金属板(1)的厚度h1为3mm，同轴连接器(2)的内导体到匹配圆(6)的水平距离x1为4.8mm。

8.根据权利要求1所述的一款2-70ghz超宽带、全金属vivaldi天线，其特征在于，金属板(1)顶部到支撑底板(3)的垂直距离l为80mm，从金属板(1)顶部到指数型渐变曲线开口(4)的起始端的垂直距离l0为68.25mm，从倾斜槽(5)的起始端到倾斜槽(5)的终止端的垂直距离l1为3.6mm，从倾斜槽(5)的起始端到倾斜槽(5)的终止端的水平距离l2为9.2mm，从倾斜槽(5)的起始端到匹配圆(6)圆心的水平距离l3为12.95mm，金属板(1)的宽度w为60mm，指数型渐变曲线开口(4)的开口处水平距离w0为38mm，指数型渐变曲线开口(4)的起始端水平距离w1为0.8mm，支撑底板(3)为正方形，边长长度w2为90mm，匹配圆(6)的直径d0为7.5mm，金属板(1)的整体厚度h为3mm，指数型渐变曲线开口(4)处，曲线部分金属板(1)的厚度为1.5mm，同轴连接器(2)的内导体到匹配圆(6)的水平距离x1为4.8mm。

技术总结
一款2‑70GHz超宽带、全金属Vivaldi天线，包括金属板，金属板的底端配置支撑底板，同轴连接器贯穿支撑底板与金属板连接，金属板的上部内侧开设指数型渐变曲线开口，金属板的下部开设匹配圆，指数型渐变曲线开口和匹配圆之间的金属板上开设有倾斜槽，指数型渐变曲线开口的起始端连接倾斜槽的一端，倾斜槽的另一端连接匹配圆，同轴连接器的内导体与倾斜槽和匹配圆连接的一端上表面接触；传统设计的Vivaldi天线较少工作在40GHz及以上频率，本Vivaldi天线通过优化Vivaldi金属板厚度，天线样品工作频率大于70GHz，其回波损耗超过10dB，本发明具有结构简单、成本低、超宽带、方向图稳定的特点。

技术研发人员：赵成伟,高靖茹,魏延年,李小平,刘彦明,魏强,夏冬
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21