应用于5G双频收发系统的稳定增益陷波Vivaldi天线

应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线
技术领域
1.本发明涉及vivaldi天线技术领域，特别是涉及一种应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线。


背景技术：

2.当前3ghz以下频段的移动通信频谱严重短缺，无法支撑通信速度的快速提升。所以使用毫米波(mmwave)频段是提高通信质量是5g无线通信的必要解决方案。为了克服毫米波频段内发生的高传播损耗，需要具有宽带、稳定辐射特性和高增益的天线。近来电磁频谱资源有限，频段需求增加，导致稀缺和紧缩。因此，消除宽带系统和一些窄带之间的干扰成为当今关注的重点。
3.天线是通信系统前端不可或缺的组件，vivaldi天线因为具有宽带宽、易于制造和重量轻的特点，成为毫米波频段天线设计很有优势的天线结构。但现有vivaldi天线尚不能满足要求，因此，基于vivaldi天线而设计一种新型的天线结构，使其能利用陷波带对宽带天线进行加载进而实现多频滤波效应，具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线，是一种工作在5g毫米波频段双频(24.25-29.5ghz,37-43.5ghz)vivaldi陷波天线。
5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
6.一种应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线，是工作在5g毫米波频段且频率为24.25-29.5ghz与37-43.5ghz的vivaldi陷波天线，是微带结构天线,通过功分结构馈电网络给双槽vivaldi辐射体进行馈电；在微带与槽线过渡结构上通过扇形匹配实现宽带匹配；在馈线处对称加载一对弯折枝节加载谐振器，实现阻内带双极点独立可调陷波带；实现在双通带两侧留有保护带的前提下调整陷波带位置与带宽。
7.本发明在vivaldi天线宽带特性的基础上通过加载陷波带实现双频滤波效果，应用于5g毫米波频段双频(24.25-29.5ghz,37-43.5ghz)收发系统中，实现信号的发射与接收。
8.本发明的应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线，具有以下有益效果：
9.1.通过使用扇形匹配实现了宽带阻抗匹配并保持增益稳定(仿真增：11.2dbi-12.4dbi)。
10.2.通过在馈线处加载谐振器对宽带天线阻带外的匹配没有影响，可以独立进行设计。
11.3.通过使用弯折枝节加载谐振器可以独立控制阻带内两个极点位置。
12.4.通过在馈线处对称加载一对相同的弯折枝节加载谐振器，相对于单侧加载双侧
同时加载可以增加耦合强度提升阻带抑制。同时，使用一种多模谐振器产生多个极点增加阻带宽度，可以简化设计难度。
13.5.在传统枝节加载谐振器基础上通过弯折结构可以小型化谐振器并可以增加耦合程度，实现更好的阻带抑制(仿真roc：0.57)。
14.6.双通带能够完全覆盖全球5g通信频带标准。
附图说明
15.图1是本发明的应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线的3d示意图。
16.图2到图3是为本发明的应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线的2d图，其中，图2是天线层俯视图，图3是天线层2d仰视图。
17.图4是图3中的局部放大图。
18.图5是本发明的双带陷波天线的仿真s11和增益图。
19.图6至图9是本发明的天线方向图仿真，其中图6是25ghz处h面方向图，图7是25ghz处e面方向图，图8是43ghz处h面方向图，图9是43ghz处e面方向图。
具体实施方式
20.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.如图1-图2所示，本发明实施例的应用于5g双频收发系统的稳定增益陷波vivaldi天线100，由三层介质基板组成，包括0.254mm厚的rogers 4350层3，0.6mm fr4的支撑层1以及用于粘接的0.127mm厚的粘接层2。
23.其中，vivaldi辐射体设计于rogers 4350层的顶层，馈线以及谐振器设计于rogers 4350层的底层。
24.该天线是微带结构天线，通过功分结构馈电网络5给双槽vivaldi辐射体进行馈电；在微带与槽线过渡结构6上通过扇形匹配4实现宽带匹配；在馈线处对称加载一对弯折枝节加载谐振器7，实现阻内带双极点独立可调陷波带。通过控制弯折枝节加载谐振器与馈线的距离gap,控制能量耦合强弱。在双通带(通带1、通过2)两侧留有足够保护带的前提下调整陷波带位置与带宽.
25.其中，一对所述的弯折枝节加载谐振器7的每个弯折枝节加载谐振器7整体多个枝节连接呈e形结构，包括一个立部(与馈线平行布置)以及两个与立部的两端垂直连接的端连接部(与馈线垂直),且端连接部的指向方向相同且其自由端远离馈线布置，两个端连接部的长度为b,立部长度为a，立部远离馈线的一侧垂直连接l形部，该l形部与立部垂直的第一部的长度为f，与所述第一部垂直的第二部的长度为e，第二部的自由端指向功分结构馈电网络5。
26.作为一个可选的实施例，两个所述的端连接部的长度相同，宽度c相同，且它们的
宽度c大于第二部的宽度d，第二部的长度e小于第二部到端连接部间的距离，第二部的长度f大于端连接部的长度。
27.基于以上所述结构，所述的天线电路设计主要包括以下步骤：
28.s1.根据5g工作频段确定vivaldi辐射体基本尺寸；
29.s2.设计宽带匹配电路实现宽带天线覆盖5g毫米波通信的两个频段：24.25-29.5ghz,37-43.5ghz；
30.s3.通过在馈线处对称加载一对相同的弯折枝节加载谐振器7，相对于单侧加载，双侧同时加载可以增加耦合强度提升阻带抑制，通过对枝节进行弯折可以小型化谐振器。
31.另外，用两个结构相同的弯折枝节加载谐振器进行加载，可以同时实现多个极点的阻带，简化设计难度。
32.而且，通过调整两个折枝节加载谐振器的枝节的长短，可以控制阻带内两个极点的位置，两个折枝节加载谐振器可以看成半波长开路谐振器，根据如下公式可以分别计算两个极点的谐振频率：
[0033][0034]
式中，f是枝节的谐振频率,c是自用空间中光的传播速度，λg是导波波长。
[0035]
其中，极点1的谐振频率由图4中左侧的弯折枝节加载谐振器(e f a/2 b)的长度进行控制，极点2谐振频率由左侧的弯折枝节加载谐振器(a 2*b)的长度进行控制。
[0036]
弯折枝节加载谐振器的宽度由em仿真软件进行优化以获得最佳匹配与最佳耦合强度。
[0037]
当弯折枝节加载谐振器的长度增加时极点谐振频率减小，当弯折枝节加载谐振器长度增加时极点的谐振频率减小，通过设计这种弯折枝节加载谐振器可以独立控制阻带内的两个极点，并且通过弯折枝李谐振器可以实现小型化并加强耦合强度。
[0038]
其中，在距离馈线距离gap处加载此谐振器，通过控制参数gap值的大小可以控制耦合强弱，gap越小耦合越强，阻带抑制最好，作为一个优选的实施例本发明中，由于加工精度限制设置的值为0.1mm，当然也可以根据应用需求可以设置不同的gap值以获得最优设计。
[0039]
s4.通过在天线底部加入fr4支撑层用来保护天线以及便于与系统集成。
[0040]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；
[0041]
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0042]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。