一種FR4板超寬帶Vivaldi天線的制作方法

本實用新型涉及一種FR4板超寬帶Vivaldi天線，屬于天線技術領域。

背景技術：

超寬帶技術是1960年作為軍用雷達技術開發出來的，在雷達和遙感中被廣泛應用。近年來作為通信應用在業界受到了巨大的關注。目前，超寬帶技術因為其高性能、高速率、低功耗、低成本等優點，被己廣泛應用于軍事雷達系統、探測成像系統、定位系統、家庭與個人網絡等諸多方面。在這樣的背景下，對天線的超寬帶設計提出了很高的要求，亟需一種小型化、超寬帶、饋電簡單、輻射方向性好、輻射效率高、整體結構簡單，制作方便，成本低的天線。

對拓Vivaldi天線是一種非周期，漸變，端射行波天線，具有較好的寬頻帶特性、定向輻射特性和固定的相位中心，且結構簡單、易于加工、易于饋電、便于集成，十分適合超寬帶無線通信系統。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種小型化、超寬帶、饋電簡單、輻射方向性好、輻射效率高、整體結構簡單，制作方便，成本低的FR4板超寬帶Vivaldi天線。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為：

一種FR4板超寬帶Vivaldi天線，包括FR4基板，所述FR4基板正反面的輻射貼片為相同結構的對跖型Vivaldi天線，兩所述輻射貼片關于x軸方向旋轉對稱；所述輻射貼片包括左右向首尾一體相連的矩形貼片和弧形貼片，所述弧形貼片由兩條指數漸變線、一條垂直線和一條水平線圍成，兩條所述指數漸變線分別為內指數漸變線和外指數漸變線，所述內指數漸變線的末端與垂直線一端相連，所述垂直線的末端與外指數漸變線的末端由所述水平線相連；所述矩形貼片的自由端與所述FR4基板的邊緣平齊，所述弧形貼片的自由端與所述FR4基板邊緣存在距離。

所述內指數漸變線滿足如下方程式y＝0.0581×e^0.1611x-0.5787；所述外指數漸變線滿足如下方程式

所述FR4基板的長度Ls為40.8mm，寬度Ws為57.45mm，厚度Hs為1mm。

所述矩形貼片的x軸方向的長度Lf為1.7mm，y軸方向的寬度Wf為1.0mm。

所述內指數漸變線的x軸方向的長度Lfi為31.9mm，高度為Hfi/2＝9.35mm；所述外指數漸變線的x軸方向的長度Lfo＝17.8mm，高度Hfo/2＝21.5mm。

所述水平線和垂直線均距所述FR4基板邊緣存在距離。

FR4基板為方形。

對跖Vivaldi天線是一種非周期，漸變，端射行波天線，具有較好的寬頻帶特性、定向輻射特性和固定的相位中心，且結構簡單、易于加工、易于饋電、便于集成，十分適合超寬帶無線通信系統。

本實用新型是一種FR4板超寬帶Vivaldi天線，該天線使用了對跖型結構，在厚度為1mm的FR4基板上實現，整體結構簡單，制作方便，成本較低。該天線還具有小型化、超寬帶、饋電簡單、輻射方向性好、輻射效率高等特點。該天線駐波比小于2的阻抗帶寬為3-40GHz，全頻覆蓋S、C、X、Ku、K、Ka六個波段，可廣泛地應用于雷達、聲吶、導航定位和軍事對抗等領域。

為了提高傳統Vivaldi天線的帶寬，實現超寬帶和小型化的特性，本實用新型設計了一個正反面輻射貼片為相同結構的對跖型Vivaldi天線，其中正反面輻射貼片關于主軸方向旋轉對稱。首先，采用CST電磁仿真軟件(基于時域有限積分法)對天線進行仿真優化設計，從而確定每個電磁參數的尺寸。然后，基于Altium Designer軟件繪制該天線的PCB版圖，采用厚度為1mm的FR4基板加工實物。最后，使用Aglient E8361-000009型矢量網絡分析儀測試駐波比，該FR4板超寬帶Vivaldi天線駐波比小于2的阻抗帶寬為3-40GHz。

本實用新型對傳統對跖Vivaldi天線進行改進，使其基板(即FR4基板)兩側的金屬導體層(即輻射貼片)關于主軸輻射方向(x軸方向)旋轉對稱，從而設計出小型化對跖型Vivaldi天線。該天線的帶寬為3-50GHz，具有饋電簡單、輻射方向性好、超帶寬、輻射效率高的特點。全頻覆蓋C、X、Ku、K、Ka五個波段，可廣泛地應用于無線通信、雷達、定位、監測、控制和醫學等領域，發展潛力巨大。

本實用新型提供的一種FR4板超寬帶Vivaldi天線，正反面的輻射貼片為相同結構的對跖型Vivaldi天線的設置，實現了天線的超寬帶和小型化，而且正反兩面結構完全一致，方向圖對稱性較好，增益峰值偏移角度小，輻射方向性好；基板材料是最普通的FR4板的設置，使本實用新型整體結構簡單，制作方便，成本低；弧形貼片的自由端與FR4基板邊緣存在距離的設置，使本實用新型饋電簡單，輻射效率高；指數型結構的函數表達式，使本實用新型結構固定，易于制作，并且輻射方向性好、輻射效率高。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為本實用新型駐波比仿真結果示意圖；

圖3為本實用新型駐波比實測結果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。

如圖1所示，一種FR4板超寬帶Vivaldi天線，包括FR4基板1，所述FR4基板1正反面的輻射貼片2為相同結構的對跖型Vivaldi天線，兩所述輻射貼片2關于x軸方向旋轉對稱；所述輻射貼片2包括左右向首尾一體相連的矩形貼片5和弧形貼片6，所述弧形貼片6由兩條指數漸變線、一條垂直線9和一條水平線10圍成，兩條所述指數漸變線分別為內指數漸變線7和外指數漸變線8，所述內指數漸變線7的末端與垂直線9一端相連，所述垂直線9的末端與外指數漸變線8的末端由所述水平線10相連；所述矩形貼片5的自由端與所述FR4基板1的邊緣平齊，所述弧形貼片6的自由端與所述FR4基板1邊緣存在距離。

FR4基板1尺寸為57.45mm(寬)×40.8mm(長)×1mm(厚)，所述內指數漸變線7滿足如下方程式y＝0.0581×e^0.1611x-0.5787；所述外指數漸變線8滿足如下方程式

本實用新型的正反面金屬輻射貼片2結構完全相同，關于主軸輻射方向旋轉對稱，這樣可以有效地修正天線方向圖的不對稱性。該天線的饋線長度Lf＝1.7mm，饋線寬度Wf＝1.0mm，內指數線長度Lfi＝31.9mm，兩條內指數線總高度Hfi＝18.7mm，外指數線長度Lfo＝17.8mmmm，兩條外指數線總高度Hfo＝43.0mm，金屬導體層(即輻射貼片2)厚度為0.036mm。

如圖2所示，為本實用新型的駐波比仿真結果示意圖，采用CST電磁仿真軟件來進行仿真分析，得到駐波比仿真結果。由駐波比仿真結果可知，在2-40GHz頻率范圍內駐波比小于3，在2.4-40GHz頻率范圍內駐波比小于2，帶寬在高頻段還具有可擴展性。

如圖3所示，為本實用新型的駐波比實測結果示意圖，使用Altium Designer軟件繪制該天線的PCB版圖，選擇厚度為1mm的FR4板材對實物進行加工，加工精度為0.1mm。FR4板價格便宜，加工方便，大大減小了加工成本。實物加工成型后，使用Aglient E8361-000009型矢量網絡分析儀對天線的駐波比進行測量，由駐波比實測結果可知，在2-40GHz頻率范圍內駐波比小于3，在3-40GHz頻率范圍內駐波比小于2，倍頻帶寬為13.3。此外，由駐波比實測結果可知，該天線的帶寬在大于40GHz的高頻段還具有可擴展性，與駐波比仿真結果基本吻合。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。