一种对拓Vivaldi天线及设计方法与流程

一种对拓vivaldi天线及设计方法
技术领域
1.本公开涉及近距离探测小型天线设计技术领域，具体涉及一种对拓vivaldi天线及设计方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.超宽带无线通信技术由于其高脉冲集成度、快速通信速度和低成本的特点，已经开始被研究用于检测、成像和定位等应用。一般的超宽带设备通常包括超宽带信号产生与存储设备、射频前端与射频终端部分，所需要的设备简单，价格便宜。超宽带终端设备的射频前端通常需要超宽带天线匹配，所以超宽带天线性能间接影响着超宽带终端设备的功能和效率。一般来说，超宽带天线分为全向天线和定向天线两个类别，其中，定向天线有固定的方向，可以将能量朝着所需要的探测方向发射，达到理想的实验结果。在众多定向天线中，vivaldi天线由于其低剖面、低交叉极化、结构紧凑等特性被广泛应用。vivaldi天线在1978年由gibson首次提出。之后在1988年，在gibson提出的天线的基础上，gait设计了一种变形vivaldi天线，也是最早期的对拓vivaldi天线。相比于原始vivaldi天线，对拓vivaldi天线的辐射贴片在天线基板的两侧，可以解决天线的馈电问题，在一定程度上提升馈电效率。
4.但是，原始对拓vivaldi天线在性能上依旧有较大的提升空间，特别在增益和方向性上。现有的方法虽然也改进了增益和方向，但是却破坏了天线的损耗特性。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种对拓vivaldi天线及设计方法，其能够扩大天线的口径，增强天线的增益，同时能够进一步引导天线的的辐射波束，在保证对拓vivaldi天线的损耗特性基础上，增强天线的方向性以及提升增益。
6.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
7.一种对拓vivaldi天线，包括：
8.介质基板，包括圆弧形介质基板和矩形介质基板，所述圆弧形介质基板与所述矩形介质基板紧密相连；
9.辐射贴片，所述辐射贴片分别位于介质基板顶层和底层；
10.接地结构，所述接地结构位于介质基板顶层；
11.馈电线，所述馈电线位于介质基板底层。
12.进一步的，所述圆弧形介质基板与所述矩形介质基板材料一致，厚度一致，所述矩形介质基板的长度是所述圆弧形介质基板半径的二倍。
13.进一步的，所述辐射贴片的单个贴片的边缘由外侧指数线和内侧指数线以及一条圆弧线围成。
14.进一步的，所述外侧指数线的斜率是内侧指数线斜率的二倍，所述外侧指数线和内侧指数线的横坐标相同，终点均位于所述组成辐射贴片边缘的圆弧线上。
15.进一步的，所述圆弧线与所述圆弧形介质基板的圆弧圆心相同，圆弧线的半径小于圆弧线介质基板的圆弧半径。
16.进一步的，所述接地结构由指数型接地结构和矩形接地结构紧密相连组合而成，所述矩形接地结构的矩形部分的长度与所述矩形介质基板的长度相同。
17.进一步的，所述馈电线的平面形状为矩形，宽度与所述辐射贴片边缘的两条指数线起点间的距离相等，在所述辐射贴片开口处加载一个扇形拓展结构，所述扇形拓展结构关于天线的竖直方向中轴线对称。
18.进一步的，在所述介质基板两层表面加载多个扇形引向器，所述多个扇形引向器的扇形半径相同，扇形弧度相同，相邻扇形引向器的间距相同。
19.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
20.一种对拓vivaldi天线的设计方法，包括：
21.对介质基板进行绘制，包括对圆弧形介质基板的绘制以及矩形介质基板的绘制；
22.对辐射贴片进行绘制，包括对贴牌的指数线边缘的绘制以及圆弧形边缘的绘制；
23.对接地结构进行绘制，用于顶层辐射贴片平衡馈电；
24.对馈电线进行设计，用于向辐射贴片传输能量。
25.进一步的，对辐射贴片开口处加载的扇形拓展结构进行绘制，包括扇形拓展结构的半径以及弧度的设计；
26.对介质基板两层表面加载的扇形引向器进行绘制，包括单一扇形引向器的半径、弧度以及多个引向器分布的设计，用于在开口处引导天线的辐射波束。
27.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
28.本公开提出的对拓vivaldi天线结构的介质基板采用了圆弧形介质基板和矩形介质基板相结合的结构，相比于常规的单一矩形结构，在同等外部尺寸的条件下，本公开提出的对拓vivaldi天线结构的介质基板基板不但节约材料，而且具备小型化和结构简单的优点；
29.本公开的天线在辐射贴片的开口处增加了一个和介质基板材料、厚度一致的扇形拓展结构，达到有效拓展天线的口径，增强天线的增益，同时不影响天线损耗的优点；
30.本公开的天线在介质基板的两面，沿着射频的中轴线方向各增加了多个同样大小且等间隔的扇形引向器，引导射频信号的辐射波束，提升天线的定向辐射的稳定性。
附图说明
31.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
32.图1是本公开提供的原始对拓vivaldi天线的正面图；
33.图2是本公开提供的原始对拓vivaldi天线的背面图；
34.图3是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线的正面图；
35.图4是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线的正面图；
36.图5是本公开提供的原始对拓vivaldi天线的s11图；
37.图6是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线的s11图；
38.图7是本公开设计的加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线的s11图；
39.图8是本公开提供的原始对拓vivaldi天线的驻波比图；
40.图9是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线的驻波比图；
41.图10是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线的驻波比图；
42.图11是本公开提供的原始对拓vivaldi天线的增益图；
43.图12是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线的增益图；
44.图13是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线的增益图；
45.图14是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在3ghz的垂直方向图；
46.图15是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在3ghz的垂直方向图；
47.图16是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在3ghz的垂直方向图；
48.图17是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在5ghz的垂直方向图；
49.图18是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在5ghz的垂直方向图；
50.图19是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在5ghz的垂直方向图；
51.图20是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在7ghz的垂直方向图；
52.图21是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在7ghz的垂直方向图；
53.图22是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在7ghz的垂直方向图；
54.图23是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在9ghz的垂直方向图；
55.图24是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在9ghz的垂直方向图；
56.图25是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在9ghz的垂直方向图；
57.图26是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在3ghz的水平方向图；
58.图27是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在3ghz的水平方向图；
59.图28是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在3ghz的水平方向图；
60.图29是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在5ghz的水平方向图；
61.图30是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在5ghz的水平方向图；
62.图31是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在5ghz的水平方向图；
63.图32是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在7ghz的水平方向图；
64.图33是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在7ghz的水平方向图；
65.图34是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线在7ghz的水平方向图；
66.图35是本公开提供的原始对拓vivaldi天线在9ghz的水平方向图；
67.图36是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线在9ghz的水平方向图；
68.图37是本公开提供的实施例中加载了扇形拓展结构和多个扇形引向器的对拓vivaldi天线9ghz的水平方向图。
具体实施方式：
69.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
70.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
71.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
72.实施例1
73.本公开的一种实施例中提供了一种对拓vivaldi天线，如图1所示，包括介质基板，包括圆弧形介质基板1和矩形介质基板2，所述圆弧形介质基板1与所述矩形介质基板2紧密相连；圆弧形介质基板与所述矩形介质基板材料一致，厚度一致，所述矩形介质基板的长度是所述圆弧形介质基板半径的二倍。
74.辐射贴片，所述辐射贴片分别位于介质基板顶层和底层；辐射贴片分为两部分，分别位于介质基板的顶层与底层。
75.接地结构，所述接地结构位于介质基板顶层；
76.馈电线，所述馈电线位于介质基板底层。
77.具体的，所述辐射贴片主要轮廓边沿包括两条指数线和一条圆弧线，顶层辐射贴片与接地结构相连，底层辐射贴片与馈电线相连；辐射贴片的单个贴片的边缘由外侧指数线和内侧指数线以及一条圆弧线围成。外侧指数线的斜率是内侧指数线斜率的二倍，所述外侧指数线和内侧指数线的横坐标相同，终点均位于所述组成辐射贴片边缘的圆弧线上。所述圆弧线与所述圆弧形介质基板的圆弧圆心相同，圆弧线的半径小于圆弧线介质基板的
圆弧半径。
78.接地结构由指数型接地结构和矩形接地结构紧密相连组合而成，所述矩形接地结构的矩形部分的长度与所述矩形介质基板的长度相同。所述指数型结构主要轮廓为两条指数线，所述接地结构两条指数线终点的距离与所述辐射贴片的两条指数线起点的距离相等。
79.馈电线的平面形状为矩形，宽度与所述辐射贴片边缘的两条指数线起点间的距离相等，在所述辐射贴片开口处加载一个扇形拓展结构，以增大天线的口径，增强天线的增益。所述扇形拓展结构关于天线的竖直方向中轴线对称。在所述介质基板两层表面加载多个扇形引向器，引导天线的辐射波束，提高天线的定向辐射性能。所述多个扇形引向器的弧度一致、半径一致，即所述多个扇形引向器的扇形半径相同，扇形弧度相同，相邻扇形引向器的间距相同。
80.作为一种实施例，顶层辐射贴片与底层辐射贴片关于平面z＝-0.5*h对称，h是基板的厚度。所述介质基板单层辐射贴片的两条指数线的渐变率不同。
81.作为一种实施例，所述矩形基板的长度与所述圆弧形基板的直径尺寸相同。
82.所述矩形基板的宽度略大于所述矩形接地结构的宽度。
83.作为一种实施例，所述馈电线平面形状为矩形。所述馈电线的宽度与所述组成贴片的两条指数线起点的距离相同。
84.作为一种实施例，所述馈电线的宽度与所述组成贴片的两条指数线起点的距离相同。
85.作为一种实施例，辐射贴片的圆弧形边缘的半径略小于所述圆弧形基板的半径。
86.作为一种实施例，扇形拓展结构与所述基板厚度一致，紧密相连。所述扇形拓展结构的纵向开口宽度与所述圆弧形基板的直径尺寸相同。所述扇形拓展结构与所述基板的材料一致，均采用fr-4材料。所述扇形拓展结构关于关于直线y＝r对称，r是所述圆弧形基板的半径。所述扇形拓展结构的扇形圆形与所述贴片的圆弧形边缘、所述圆弧形基板的圆心不同心。
87.作为一种实施例，所述基板单层加载的扇形引向器数量有多个。所述基板两层加载的扇形引向器数量一致。所述基板两层加载的单一扇形引向器关于直线y＝r对称，r是所述圆弧形基板的半径。所述扇形引向器尺寸一致。
88.所述扇形引向器的尺寸包括单一扇形引向器的扇形半径、扇形弧度与相邻扇形引向器的间距。
89.所述基板顶层的引向器与所述基板底层的引向器关于平面z＝-0.5*h对称，h是所述基板的厚度。
90.所述单一扇形引向器的材料与所述贴片、所述接地结构和所述馈电线的材料一致，均为理想导电体。
91.实施例2
92.本公开的一种实施例提供了一种对拓vivaldi天线的设计方法，包括：
93.对介质基板进行绘制，包括对圆弧形介质基板的绘制以及矩形介质基板的绘制；
94.对辐射贴片进行绘制，包括对贴牌的指数线边缘的绘制以及圆弧形边缘的绘制；
95.对接地结构进行绘制，用于顶层辐射贴片平衡馈电；
96.对馈电线进行设计，用于向辐射贴片传输能量。
97.进一步的，对辐射贴片开口处加载的扇形拓展结构进行绘制，包括扇形拓展结构的半径以及弧度的设计；
98.对介质基板两层表面加载的扇形引向器进行绘制，包括单一扇形引向器的半径、弧度以及多个引向器分布的设计，用于在开口处引导天线的辐射波束。
99.作为一种实施例，，对对拓vivaldi天线进行绘制的具体过程有：
100.如图1所示，对对拓vivaldi天线的介质基板进行绘制。首先绘制圆弧形介质基板1。如公式(1)所示，圆弧形介质基板1的半径r的大小受制于频率的选取，在本实施例中，频率f
l
为最低工作频率。在本实施例中，圆弧形介质基板1的半径r取50mm。这个尺寸能够使天线可以在3ghz及3ghz以上频率工作。为满足小型化特点，圆弧形介质基板1的厚度为0.8mm。在圆弧形介质基板1的基础上，绘制矩形介质基板2。矩形介质基板2的长度是圆弧形介质基板1的半径尺寸的二倍。在本实施例中，矩形介质基板2的宽度选取为20mm，并且与圆弧形介质基板1紧密相连。矩形介质基板2的厚度为0.8mm，保证整个基板的馈电损失不会过大。
101.r＝0.5*sqrt(2/εr 1))/f
l
(1)
102.在介质基板1的顶层绘制贴片。首先绘制贴片的内指数线3。内指数线3由公式(2)确定，其中bi是内指数线3的渐变率，决定了指数线的倾斜程度。在本实施例中，b取值为0.05。ai和ci是两个常数，分别由公式(3)和公式(4)确定，其中，(x1,y1)和(x2,y2)分别是指数线的起点坐标与终点坐标。在本实施例中，设计的关键是对于(x2,y2)的选定。内指数线3的起点坐标设置为(-20,-1)。内指数线3的终点横坐标x2和纵坐标y2分别由公式(5)和公式(6)确定，r是贴片圆弧线5的半径，deg1是贴片圆弧线5的圆心和(x2,y2)的连线与天线中轴线的夹角。在本实施例中，贴片圆弧线5的半径取值为50mm，圆心设定为坐标系原点(0,0)，夹角deg1设定为20度。
103.yi＝ai*exp(bi*x) ci(2)
104.ai＝(y
2-y1)/(exp(b*x2)-exp(b*x1))(3)
105.ci＝(y
1*
exp(bi*x2)-y
2*
exp(b1*x1))/(exp(bi*x2)-exp(bi*x1))(4)
106.x2＝xc r*cos(deg1*pi/180)(5)
107.y2＝yc r*sin(deg1*pi/180)(6)
108.进一步地，x2确定为45.11，y2确定为16.42。根据公式(3)和公式(4)，ai确定为1.89，ci确定为-1.69。内指数线3方程为y＝1.89*e
(0.05*x)-16.9。
109.绘制贴片的外指数线4。外指数线4由公式(7)确定，bo是外指数线4的渐变率。在本实施例中，bo的取值为0.1。ao和co是两个常数，由公式(8)和(9)确定。(x3,y3)和(x4,y4)是外指数线4的起点和终点。为保证天线整体结构的对称性，x3取值与x1相同，为-20，y3取值为0.1。外指数线4的终点横坐标x4和纵坐标y4由公式(10)和(11)确定，其中deg2是贴片圆弧线5的圆心和(x2,y2)的连线与天线中轴线的夹角，度数大于deg1。在本实施例中，deg2设定为70度。
110.yo＝ao*exp(bo*x) co(7)
111.ao＝(y
4-y3)/(exp(bo*x4)-exp(b*x3))(8)
112.co＝(y
3*
exp(bo*x4)-y4*exp(bo*x3))/(exp(b
o*
x4)-exp(bo*x3))(9)
113.x4＝xc r*cos(deg2*pi/180)(10)
114.y4＝yc r*sin(deg2*pi/180)(11)
115.进一步地，x4确定为16.4，y4确定为45.1。根据公式(8)和公式(9)，ao确定为8.77，co确定为-0.68。内指数线3方程为y＝8.77*e
(0.1*x)-0.68。
116.进一步地，根据r、deg1和deg2，对贴片边缘的圆弧线5进行绘制。
117.进一步地，先后利用y＝0(天线中轴线)和z＝-0.5*h进行对称变换，对介质基板1底层的贴片进行绘制。
118.对接地结构进行绘制。首线绘制接地结构的指数部分6。接地结构的指数线6由公式(12)确定。i是指数线6的倾斜率，在本实施例中，i的取值为-0.4。g和j是两个常数，分别由公式(13)和公式(14)确定。(x5,y5)和(x6,y6)是指数接地结构6的起点和终点。在本实施例中，y6的取值与y3相同，x6的取值为-30。x5的取值为-45，y5到天线中轴线的距离为圆弧形基板1的半径r，在坐标系中取值为-50。
119.yg＝g*exp(i*x) j(12)
120.g＝(y
6-y5)/(exp(i*x6)-exp(i*x5))(13)
121.j＝(y
5*
exp(i*x6)-y6*exp(i*x5))/(exp(i
*
x6)-exp(i*x5))(14)
122.进一步地，根据公式(13)和(14)，g确定为7.48*10-7
，f确定为-0.18。根据公式(12)，接地结构的指数线6的方程为y＝7.48*10-7
*e
(-0.4*x)-0.18。
123.进一步地，利用直线y＝0进行对称变换，对接地结构的下半部分指数线进行绘制。
124.进一步地，绘制接地的矩形结构7。矩形接地结构7的长度与矩形介质基板2的长度相同，为圆弧形介质基板半径r的二倍。，在本实施例中，为了保证接地结构的整体连接性，接地结构的矩形部分7的宽度设定为5mm。接地矩形部分7的一端与接地指数线6紧密相连。
125.进一步地，参照图2，对基板底部的馈电线8进行绘制。在本实施例中，馈电线8的平面形状为矩形。馈电线8的宽度等于贴片外指数线4的起点纵坐标y3和贴片内指数线3的起点纵坐标y1的差。馈电线8的长度等于贴片内指数线3的起点横坐标x1(或外指数线4的起点横坐标x3)到矩形介质基板2边缘的距离。
126.作为一种实施方式，在原始对拓vivaldi天线的基础上，对加载了扇形拓展结构的对拓vivaldi天线进行设计。
127.参照图3，对对拓vivaldi天线的扇形拓展结构9进行设计。在本实施例中，扇形拓展结构9的作用是在贴片的开口处拓展天线的辐射口径，增强天线在开口处的辐射能量，提升天线在整个频段内的增益。扇形拓展结构9的扇形半径由公式(15)确定，(x7,y7)是扇形拓展结构9的扇形圆心。为了保证扇形拓展结构1关于天线中轴线的对称性，保证在水平方向上对天线的左右球面波束改进效果相同，在直角坐标系中，扇形拓展结构9的圆心纵坐标y7选取为0。在本实施例中，扇形拓展结构9的扇形圆心横坐标x7选取为40。(x8,y8)是扇形拓展结构的扇形起点。其中，扇形起点纵坐标y8决定了扇形拓展结构9的宽度。对于扇形拓展结构9，如果宽度过窄，天线的拓展后的口径虽然会增大增益，但是对于波束，特别是对于高频处的波束，会在方向性上有不好的影响；如果宽度过大，拓宽口径后的天线会导致半功率波束宽度变大，破坏天线的方向性。因此，为了保护天线的辐射方向性，同时为了扩大天线增益，扇形拓展结构9的扇形起点纵坐标y8设置为50。对于扇形拓展结构9的扇形起点横坐标x8，它决定了扇形拓展结构9的长度。如果扇形拓展结构9的长度过长，那么在天线馈电时，会带来多余损耗，特别是在基板1的顶端；如果过短，天线的增益提升效果不会显著。因此，
0.18，以(x3,y3,0)为起点，(x4,y4,0)为终点，绘制基板顶层贴片的外指数线4。以(x4,y4,0)为圆心，r为半径，(x4,y4,0)为起点，(x2,y2,0)为终点，绘制圆弧线5。以(x1,y1,0)为起点，(x3,y3,0)为终点，绘制直线x＝x1。利用布尔操作的相加功能，将内指数线3、外指数线4、圆弧线5和直线x＝x1联合。将联合的曲线沿着z轴正方向拓展0.035mm形成指数贴片。指数贴片的材料设置为理想导电体。
142.绘制基板底层贴片。利用布尔操作的镜像功能，以平面y＝0为对称轴，将顶层辐射贴片复制并将复制的贴片进行镜像操作。以平面z＝-0.5*h(h为基板厚度)为对称轴，将镜像后的贴片再次镜像，完成对基板底层贴片的绘制。
143.绘制基板顶层的接地结构。根据曲线方程y＝1.89*e
(0.05*x)-16.9，以(x1,y1,0)为起点，(x2,y2,0)为终点，绘制接地结构的指数线6。利用镜像功能，根据平面y＝0，将指数线6复制并将复制的指数线镜像到天线中轴线下侧。以(x1,y1,0)为起点，绘制长100mm、宽5mm的矩形7。将两条指数线及矩形7联合。将联合的线沿着z轴正方向拓展0.035mm形成完整的接地结构。接地结构的材料设置为理想导电体。
144.绘制基板底层的馈电结构8。以(x1,y1,-h)为起点，绘制长为30mm、宽2mm、厚0.035mm的长方体作为馈电线8。长方体长度、宽度、厚度分别沿x轴负半轴、y轴正半轴、z轴负半轴拓展。长方体的材料选为理想导电体。
145.绘制扇形拓展结构9。以(x7,y7,0)为扇形圆形，(x8,y8,0)为扇形起点，绘制半径为40mm，角度为130度的扇形弧线部分。连接点(x2,y2,0)和(x8,y8,0)，绘制天线中轴线上侧的扇形直线部分。利用镜像对称功能，以y＝0为对称轴，绘制天线中轴线下侧的扇形直线部分。连接点(x2,y2,0)和(x2,-y2,0)，形成另一条直线。将上述四条曲线沿z轴负半轴拓展0.8mm形成扇形拓展结构9。扇形拓展结构的材料选为fr-4。利用布尔操作相加功能，将扇形拓展结构9和基板1联合，形成完整的结构。
146.绘制扇形引向器10。以(x9,y9,0)为扇形圆心，5mm为扇形半径，以(x
10
,y
10
,0)为起点，绘制130度的扇形弧线。连接(x9,y9,0)和(x
10
,y
10
,0)，绘制天线中轴线上侧的扇形半径。利用镜像功能，以平面y＝0为对称轴，绘制天线中轴线下侧的扇形半径。利用布尔操作将上述三条线联合。将联合的曲线沿z轴正半轴拓展0.035mm，形成单一的扇形引向器10。单一引向器10的材料设置为理想导电体。利用平移变换功能，将单一引向器沿x轴正半轴平移。平移的次数为4次，保证单侧基板有5个引向器；每次平移的距离68mm，以保证相邻扇形引向器之间的距离为5mm。将基板顶层的所有扇形引向器复制，并利用镜像功能，将复制的扇形引向器镜像到基板底层，完成对天线基板表面所有扇形引向器的绘制。
147.利用cst 2020时域求解器对天线进行仿真。参考图5至图37对仿真结果进行分析。
148.图5至图7是三个天线的s11的仿真结果。从图5中可以看出，基于新型基板的原始对拓vivaldi天线在3-10ghz频段内的s11低于-10db,在3.25ghz处出现第一个谐振频率。在图6中，加载了扇形拓展结构后的对拓vivaldi天线的第一个谐振频率略微下降，在3-10ghz内的s11没有出现明显上升、波动等恶化现象。在图8中，加载了扇形引向器后，第一个谐振频率稍有上升，但仍然保持在3.25ghz附近，而且s11在3-10ghz内仍没有出现恶化现象。综合来看，本实施例提出的基于新型基板、加载了扇形拓展结构和扇形引向器的天线在3-10ghz内有很好的回波损耗特性，辐射的能量能够很好地辐射到空间中，不被天线本身吸收，天线的s11曲线波动幅度稳定，表明天线的频域特性稳定；此外，天线的谐振频率较低，
表明天线可以在低频率处获得良好阻抗匹配特性。
149.图8至图10是三种天线的驻波比随频率变化的仿真结果。驻波比反应了天线能量辐射与馈电线阻抗匹配的情况。从图8可以看出，基于新型基板的对拓vivaldi天线在3-10ghz内驻波比都小于1.8。加载了扇形拓展结构后，如图9所示天线的驻波比仍小于1.8。在4.5ghz和7.5ghz附近的驻波比同时得到了下降，逐渐接近1.6。加载了扇形引向器后，如图10所示，天线的驻波比仍低于1.8，而且在7.5ghz附近天线的驻波比已经下降到1.6以下，在4.5ghz附近也再一次下降。综合来看，加载了扇形拓展结构和扇形引向器后，天线的驻波比仍低于2，符合超宽带对于探测等应用的需要，此外在大多数频段天线的驻波比低于1.6，表明天线的阻抗匹配很好，能量辐射率很高。
150.图11至图13是三种天线的增益随频率变化的结果。在图11中，基于新型基板的对拓vivaldi天线在3-10ghz内有不错的增益。在5-7ghz内，天线的增益在6dbi波动；在8ghz后，天线的增益超过7dbi，在9ghz有峰值增益7.7dbi。在图12中，加载了扇形拓展结构的天线在整个频段内的增益都有提升。在5ghz后，增益的增加幅度都超过了1dbi。在7.8ghz后，天线的增益一直在8dbi以上,高于原始天线中的峰值增益。在9ghz时，加载扇形拓展结构的天线达到9.2dbi，相较于原始天线提升了1.5dbi。在图13中，在加载扇形拓展结构的基础上，加载了多个扇形引向器的天线增益在3-10ghz内又得到了提升。在5ghz后，天线在各个频率的增益都高于7dbi，特别是在8ghz后，天线的增益始终高于9dbi。在9ghz时，天线的峰值增益达到10.2dbi，较图12中的峰值增益提升了1dbi。综合来看，加载扇形拓展结构和多个扇形引向器可以有效提升增益，减弱天线在实际应用中的信号失真。
151.图14至图25展示了三种天线在3ghz、5ghz、7ghz、9ghz的垂直方向图。从图14至图17中看出，基于新型基板的对拓vivaldi天线在各个频率点均满足定向辐射特性。从图18至图21中看出，在加载了拓展结构的天线方向图的主瓣电平强度在四个所选频率点都得到了提升，特别是在7ghz和9ghz，增大幅度超过了1dbi；副瓣强度下降，下降幅度都在1dbi左右；此外，天线的半功率波束角度缩小。从图22至25中看出，天线波束的主瓣强度在所有频率点再一次得到了提升，在7ghz处又一次提升1.3dbi，这是由于在天线的开口处加载了扇形引向器，天线的波束得到了引导；天线波束的副瓣强度再一次下降，下降幅度都超过了1dbi，特别在7ghz时下降幅度超过了3dbi。加载扇形引向器后，天线的半功率波束角度再一次缩小。半功率角度缩小意味着天线的定向性加强。综合来看，加载扇形拓展结构和扇形引向器可以有效增强垂直辐射波束的主瓣电平强度，减弱副瓣能量强度，同时缩小半功率波束角度，提升天线的定向辐射特性。
152.图26至图37展示了三种天线在3ghz、5ghz、7ghz、9ghz的水平方向图。从图26至29中，可以看出原始天线在水平向上也满足定向辐射特性。加载了拓展拓展结构后，如图30至33所示，天线水平方向图的主瓣增加，特别是在5ghz、7ghz和9ghz。此外，天线的副瓣减弱，半功率波束角度缩小。在加载了扇形引向器后，如图34-37所示，天线的水平方向图的主瓣电平强度再度增加，副瓣强度减弱，在7ghz时主瓣强度增加幅度和副瓣能量削弱强度比较明显。由于扇形引向器的引导，天线的半功率波束角度在各个频率再一次下降。综合来看，天线的水平方向图仿真的优化结果与图14至图25所示的垂直方向图的优化结果基本一致，在加载了扇形拓展结构和多个引向器后，天线的水平方向图的主瓣电平强度增加，副瓣强度削弱，天线的半功率角度缩小，方向图的对称性没有被破坏，天线的定向辐射特性得到增
强
153.本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
154.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
155.上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。