一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线及其测量方法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，更具体地，涉及一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线及其测量方法。

背景技术

随着5G/B5G技术的飞速发展，目前国际上确定6GHz以下将用于远距离传输通信，世界无线电通信大会已正式确定了5G毫米波通信频段，24.25GHz～27.5GHz可用于5G近距离传输，这为我国5G移动通信网络、通信计量及测试技术发展奠定了基础。

近年来，迅猛发展的新一代人工电磁媒介，如光子晶体、超材料等，为电磁波的调控提供了强有力的理论基础。通过改变人工电磁媒介的相关拓扑，能够调控其对于外来电磁波的响应，从而达到自然界中的材料所不能实现的属性，如负介电常数、负磁导率等。

然而，随着通信频率不断升高，天线以及封装的尺寸将越来越小，通信芯片速率不断上升，传统的封装结构在高频处会出现辐射超标。因此，在现有的电磁兼容性计量与校准过程中，需要置换多套天线才能满足5G测试需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线及其测量方法，其可以实现可延展天线带宽，拓宽天线的工作频段，提升天线辐射增益，消除天线增益峰值的偏移问题。

根据本发明实施例第一方面，提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线。

所述的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线包括介电基板、第一金属辐射片、第二金属辐射片、引向器、超材料结构贴片、介电基板之间的介质层；

所述介电基板为矩形，所述矩形的长边长度为L，所述矩形的短边长度为W；

所述第一金属辐射片在所述介电基板正面，所述第二金属辐射片在所述介电基板反面；

所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片上各设置有4个矩形槽线；

所述介电基板设置有中心馈线，所述4个矩形槽线与所述中心馈线夹角为60°；

所述超材料结构贴片以所述中心馈线为对称轴，左右对称分布；

所述引向器以所述中心馈线为对称轴，左右对称分布；

所述第一金属辐射片与第二金属辐射片包括内渐变线与外渐变线。

在一个或多个实施例中，优选地，所述外渐变线为第一计算公式形式的指数渐变线；

所述第一计算公式为：

y＝-0.02282exp(0.16x)+230.026

其中，x和y为所述指数渐变线的x坐标和y坐标；

其中，当x＝x

在一个或多个实施例中，优选地，所述引向器为椭圆曲线，所述椭圆曲线的长轴为34mm；所述椭圆曲线的短轴为3mm；

所述椭圆曲线的中心距离所述中心馈线的垂直距离在192mm至205mm之间。

在一个或多个实施例中，优选地，所述矩形槽线的长边长度为52mm，短边长度为1mm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述超材料结构贴片包括64个方形贴片，所述64个方形贴片形成超材料结构阵列，所述超材料结构阵列以所述中心馈线为对称轴，所述中心馈线的左侧和右侧分别有32个方形贴片。所述方形贴片离天线馈线端垂直距离为228mm至238mm，离中心对称轴为0.3-0.6mm。

在一个或多个实施例中，优选地，宽带对跖Vivaldi天线的阻抗带宽内增益为4.10dB～13.10dB。

根据本发明实施例第二方面，提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法。

在一个或多个实施例中，优选地，该测量方法包括：

根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布；

获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数；

计算特性阻抗数值，判断是否满足预设的特性阻抗需求。

在一个或多个实施例中，优选地，所述根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布，具体包括：

获得第二计算公式形式的辐射开槽曲线；

利用第三计算公式根据所述辐射开槽曲线获得曲线长度；

根据所述曲线长度计算所述天线表面的电流分布；

所述第二计算公式为：

F(x)＝c

其中，F(x)为辐射开槽曲线函数，c

所述第三计算公式为：

其中，F(x)为辐射开槽曲线函数，x为辐射开槽曲线的横坐标，x

所述第四计算公式为：

I＝I

其中，I为所述天线表面的电流，I

在一个或多个实施例中，优选地，所述获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数，具体包括：

获取天线渐变槽参数，所述天线渐变槽参数包括第一系数、第二系数、第三系数、第一偏移量、第二偏移量、第三偏移量；

将所述第一系数和所述第一偏移量带入第五计算公式，获得第一天线渐变槽线；

将所述第二系数和所述第二偏移量带入第六计算公式，获得第二天线渐变槽线；

将所述第三系数和所述第三偏移量带入第七计算公式，获得第三天线渐变槽线；

分别从天线上获取所述第一天线渐变槽线、所述第二天线渐变槽线、所述第三天线渐变槽线上的测量点，判断所述测量点是否在所述第一天线渐变槽线、所述第二天线渐变槽线、所述第三天线渐变槽线上；

所述第五计算公式为：

Y

其中，Y

所述第六计算公式为：

Y

其中，Y

所述第七计算公式为：

Y

其中，Y

在一个或多个实施例中，优选地，所述计算特性阻抗数值，具体包括：

获取微带线宽和介质基板的厚度；

利用第八计算公式计算所述特性阻抗数值；

所述第八计算公式为：

其中，Z

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1)本发明实施例中提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线，可延展天线带宽，拓宽天线的工作频段，提升天线辐射增益，消除天线增益峰值的偏移问题。

2)本发明实施例中提供了一种在配置对跖Vivaldi天线后的系列测试方法，能实现对于天线参数的高效准确监测。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的结构示意图。

图2为本发明的超材料结构阵列实施图。

图3为本发明的超材料结构单元实施图。

图4为本发明一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线驻波比仿真与实测结果图。

图5为本发明一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线增益仿真与实测结果图。

图6为本发明一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线E面极坐标方向图仿真与实测结果图。

图7是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法的流程图。

图8是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法中的根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布流程图。

图9是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法中的获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数流程图。

具体实施方式

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着5G/B5G技术的飞速发展，目前国际上确定6GHz以下将用于远距离传输通信，世界无线电通信大会已正式确定了5G毫米波通信频段，24.25GHz～27.5GHz可用于5G近距离传输，这为我国5G移动通信网络、通信计量及测试技术发展奠定了基础。

近年来，迅猛发展的新一代人工电磁媒介，如光子晶体、超材料等，为电磁波的调控提供了强有力的理论基础。通过改变人工电磁媒介的相关拓扑，能够调控其对于外来电磁波的响应，从而达到自然界中的材料所不能实现的属性，如负介电常数、负磁导率等。

然而，随着通信频率不断升高，天线以及封装的尺寸将越来越小，通信芯片速率不断上升，传统的封装结构在高频处会出现辐射超标。因此，在现有的电磁兼容性计量与校准过程中，需要置换多套天线才能满足5G测试需求。

本发明实施例中，提供了一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线及其测量方法。该方案可延展天线带宽，拓宽天线的工作频段，提升天线辐射增益，消除天线增益峰值的偏移问题。

根据本发明实施例第一方面，提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线。

如图1所示，包括介电基板101、第一金属辐射片102、第二金属辐射片103、引向器104、超材料结构贴片105、介电基板内部为的介质层；

所述介电基板101为矩形，所述矩形的长边长度为L，所述矩形的短边长度为W；

本发明实例中，介电基板101为厚度H＝0.762mm的高频基板，介电基板101的矩形的长度L＝185mm，宽度W＝120mm；

所述第一金属辐射在所述介电基板101正面，所述第二金属辐射片在所述介电基板101反面；

所述第一金属辐射片102和所述第二金属辐射片上各设置有4个矩形槽线106；

所述介电基板101设置有中心馈线107，所述4个矩形槽线106与所述中心馈线夹角为60°；

所述超材料结构贴片105以所述中心馈线为对称轴，左右对称分布；

所述引向器以所述中心馈线为对称轴，左右对称分布；

所述第一金属辐射片102与第二金属辐射片包括内渐变线与外渐变线。

本发明实例中，第一金属辐射片102与第二金属辐射片103的形状相同，且相互构成沿辐射方向的介电基板中心轴旋转对称；第一金属辐射片102与第二金属辐射片103上分别刻蚀有四条矩形槽线106，矩形槽线106与介电基板中心对称轴的夹角θ＝60°。第一金属辐射片102与第二金属辐射片的两边分别为内渐变线和外渐变线：

优选地，引向器104为椭圆函数渐变线，椭圆函数渐变线的长轴为a

优选地，内渐变线为椭圆函数渐变线，椭圆函数渐变线的长轴为a

优选地，外渐变线为指数函数渐变线，满足函数：y＝exp(ax)；式中：x、y分别为指数渐变线x坐标和y坐标，a为天线的开放指数，取值0.16；x

参照如图2，在一对外渐变线6之间刻蚀有以介电基板为中心馈线对称分布的超材料结构方形贴片阵列，阵列中所有阵元完全相同，呈左右对称分布，各32个，总共64个；阵列单元左右及上下间距为g

优选地，第一金属辐射片102的底部连接有金属微带馈线。

该对跖型Vivaldi天线的正面与反面的金属辐射片结构完全相同，且关于主轴辐射方向旋转对称，即沿辐射方向的介电基板中心轴旋转对称，便于有效改善天线方向图的不对称性。此外，为了进一步延展天线带宽，消除天线增益峰值的偏移问题，使主轴方向辐射性能达到最佳，并提高天线的增益值。在该对跖Vivaldi天线的辐射贴片内添加四对矩形槽线106、一个引向器104及64个以介电基板为对称轴对称分布的方形贴片构成超材料结构阵列105。

在本发明实施例中，对跖型Vivaldi天线的馈线长度L

其中，图4为本实施例的Vivaldi天线的驻波比仿真与实测结果图，其中采用(HFSS，High Frequency Structure Simulator，中文名高频结构仿真)电磁仿真软件来进行仿真分析，得到驻波比仿真结果。由驻波比仿真与实测结果可知，在1GHz～28GHz频率范围内驻波比小于2，带宽在高频段还具有可扩展性。在频率段：1GHz～28GHz，该发明中的天线结构的驻波比要小于1.7；特别在5G的通信频段24.25GHz～27.50GHz，该天线的驻波比小于1.4表现了优越性能；在宽频段：5GHz～28GHz，该天线的驻波比小于1.4；从而说明该发明的天线结构抑制了其谐振波产生，天线整体的驻波比呈现优良；在图4中，VSWR(VoltageStanding Wave Ratio，电压驻波比)；Frequecy表示频率。

其中，图5为本实施例的Vivaldi天线的增益仿真结果图，在1GHz～28GHz频率范围内的增益为4.10dB～13.10dB。具体的，在图5中实线代表实测，虚线代表仿真结果。在1GHz、6GHz、12GHz、20GHz、25GHz、28GHz时候，该发明天线的实测增益分别为4.11dB、10.22dB、10.59dB、12.14dB、10.72dB、9.45dB；在图5中，Gain表示天线增益；Frequecy表示频率。

其中，图6为本实施例的Vivaldi天线的E面极坐标方向图仿真与实测结果图。在图6中实线代表实测，虚线代表仿真结果。以Viadldi天线在(a)1GHz、(b)6GHz、(c)12GHz、(d)20GHz、(e)25GHz、(f)28GHz的E面方向图为例，该天线的E面方向图保持良好对称，方向图E面峰值偏移角度几乎为零，该对跖型Vivaldi天线具有较高的增益、较强的方向性和较低的副瓣电平。其中，E面方向指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面方向。

根据本发明实施例第二方面，提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法。

图7是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法的流程图。

在一个或多个实施例中，优选地，该测量方法包括：

S701、根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布；

S702、获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数；

S703、计算特性阻抗数值，判断是否满足预设的特性阻抗需求。

图8是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法中的根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布流程图。

在一个或多个实施例中，优选地，所述根据天线的辐射开槽曲线获得天线表面的电流分布，具体包括：

S801、获得第二计算公式形式的辐射开槽曲线；

S802、利用第三计算公式根据所述辐射开槽曲线获得曲线长度；

S803、根据所述曲线长度计算所述天线表面的电流分布；

所述第二计算公式为：

F(x)＝c

其中，F(x)为辐射开槽曲线函数，c

所述第三计算公式为：

其中，F(x)为辐射开槽曲线函数，x为辐射开槽曲线的横坐标，x

所述第四计算公式为：

I＝I

其中，I为所述天线表面的电流，I

图9是本发明一个实施例的一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线的测量方法中的获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数流程图。

在一个或多个实施例中，优选地，所述获取渐变槽线参数，根据渐变槽线参数校对所述第一金属辐射片和所述第二金属辐射片是否满足所述渐变槽线参数，具体包括：

S901、获取天线渐变槽参数，所述天线渐变槽参数包括第一系数、第二系数、第三系数、第一偏移量、第二偏移量、第三偏移量；

S902、将所述第一系数和所述第一偏移量带入第五计算公式，获得第一天线渐变槽线；

S903、将所述第二系数和所述第二偏移量带入第六计算公式，获得第二天线渐变槽线；

S904、将所述第三系数和所述第三偏移量带入第七计算公式，获得第三天线渐变槽线；

S905、分别从天线上获取所述第一天线渐变槽线、所述第二天线渐变槽线、所述第三天线渐变槽线上的测量点，判断所述测量点是否在所述第一天线渐变槽线、所述第二天线渐变槽线、所述第三天线渐变槽线上；

所述第五计算公式为：

Y

其中，Y

所述第六计算公式为：

Y

其中，Y

所述第七计算公式为：

Y

其中，Y

在一个或多个实施例中，优选地，所述计算特性阻抗数值，具体包括：

获取微带线宽和介质基板的厚度；

利用第八计算公式计算所述特性阻抗数值；

所述第八计算公式为：

其中，Z

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1)本发明实施例中提供一种面向5G的超材料结构宽带对跖Vivaldi天线，可延展天线带宽，拓宽天线的工作频段，提升天线辐射增益，消除天线增益峰值的偏移问题。

2)本发明实施例中提供了一种在配置对跖Vivaldi天线后的系列测试方法，能实现对于天线参数的高效准确监测。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置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。

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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。