一種具有陷波特性的Vivaldi天線設計

涂 升 焦永昌 宋 躍 張福順 張 錚

(西安電子科技大學天線與微波技術國防科技重點實驗室,陜西西安 710071)

1.引 言

近年來,隨著通訊技術的迅猛發(fā)展,天線廣泛應用于電子對抗系統(tǒng)、超寬帶雷達、衛(wèi)星通信、探雷等軍事方面,在高速無線LAN、家庭網絡及無線電話等方面也有廣泛的需求[1-2]。因此設計一種結構簡單、性能良好的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實意義。超寬帶天線按最大輻射方向可分為全向超寬帶天線和定向超寬帶天線。平面單極子天線具有結構簡單,易于集成等特點,是超寬天線的研究熱點。傳統(tǒng)的定向超寬帶天線有螺旋天線、對數周期天線和加脊喇叭天線等,可以適合不同的實際工程需要,但也存在尺寸相對龐大,結構復雜的問題[3-4]。Gazit設計的微帶饋電的Antipodal Vivaldi天線具有很寬的阻抗帶寬。之后改良的帶狀線饋電的Antipodal Vivaldi天線改進了微帶不平衡饋電引起的交叉極化高的問題[5-6]。微帶線和帶狀線饋電的Vivaldi天線具有頻帶寬和交叉極化低等特點。

在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎上,給出了一種利用雙Y巴倫的微帶-槽線過渡結構,使其可以工作在3.1～10.6 GHz。并且,通過在微帶線上添加狹縫,在5.1～6.0 GHz頻段使該Vivaldi天線實現(xiàn)了陷波特性,減少了與現(xiàn)存應用頻帶WLAN(5.125～5.825 GHz)相互間的影響。

2.天線設計

將Vivaldi天線應用于UWB頻段,是因為Vivaldi天線具有寬帶、交叉極化低、方向性好等特點,廣泛應用于無線傳輸及雷達領域。圖1給出了具有陷波特性超寬帶Vivaldi天線的結構圖,原點坐標選取為巴倫結構中心。天線尺寸為64 mm×71 mm,所選介質板的介電常數為2.65,損耗角正切值為0.003,厚度為0.635 mm。

該天線由傳統(tǒng)的寬帶Vivaldi天線,3節(jié)切比雪夫階梯阻抗變換器及改進的雙Y巴倫微帶-槽線過渡構成。天線的漸變槽線由Vivaldi曲線決定,其曲線的表達式為

式中:C1,C2分別由漸變曲線的起始點和終止點決定;R為曲線的漸變因子(Opening Rate)。文中所設計的Vivaldi天線由內外兩組Vivaldi曲線構成,漸變因子R分別為0.08和0.12;對應內Vivaldi曲線的C1=0.733,C2=-0.832,對應外 Vivaldi曲線的 C′1=10.644,C′2=-14.926 。

阻抗比為r的N節(jié)1/4階梯阻抗變換器如圖2所示,每節(jié)的長度L=λg0/4,電長度為

該阻抗變換器要求駐波比具有切比雪夫響應,即

式中:

Wq為變換器工作頻帶的分數帶寬;λg1、λg2分別為最長和最短工作波長。當給定R、W q和ρmax時,所需階梯阻抗變換器的最少節(jié)數N可以由如下條件

來確定。

圖3(a)給出了使用雙Y巴倫實現(xiàn)微帶-槽線過渡結構的示意圖,圖3(b)給出了其對應的等效電路。雙Y巴倫基于6端口雙Y結型網絡,由圍繞結構中心交替分布的3條平衡線和3條非平衡線組成。若忽略節(jié)點效應且其他四個端口匹配,則每兩個相對端口是非耦合的,由非平衡端口輸入的信號將等分到其他四個端口。同理,從平衡端輸入的信號也將等分到其他四個輸出端口,但是每兩個相對端口相位相反。見圖3(b),橋路中的電阻沿相應方向到節(jié)點是變化的。當節(jié)點效應被忽略且橋路成對稱結構時,即有Z2=Z5=Za和Z3=Z6=Zb,其阻抗矩陣可表示為

式中:

若4端口為實阻抗Zo,則1端口的輸入阻抗Z in可表示為

因為Za=j Xa,Zb=-j Xb,基本變化后可得到

成立時,輸入阻抗Zin即為實數且與4端口阻抗匹配。當該結構用于巴倫設計,為了使信號在相對的平衡與非平衡端口間有效傳輸,相對的兩對傳輸線則應該具有相位相反的反射系數。當其一為開路,另一端就應該為短路,此時即可滿足要求,并且同時完成微帶-槽線的結構過渡。

為減少與其他現(xiàn)存應用頻段的相互影響[9],通過在微帶線上添加狹縫使天線具備陷波特性。對于UWB超寬帶天線,通常實現(xiàn)頻帶抑制的方式是在輻射單元上添加狹縫,例如U型槽、弧形槽等。但是這些方法會導致水平方向面電流增強,提高了交叉極化。另一種實現(xiàn)頻帶抑制的方式是在輻射單元附近添加寄生結構,等效于濾波器實現(xiàn)頻帶隔離。本文中通過在微帶線上添加狹縫,實現(xiàn)頻帶抑制,有效地減少了與 WLAN應用頻帶(5.125～5.85 GHz)的相互影響。狹縫的長度控制抑制頻帶的中心頻率,當狹縫長度大約等于響應頻率對應一半波長時,實現(xiàn)一定頻帶的隔離。通過調節(jié)狹縫的長度,可以得到合適的陷波特性。本文中所設計的Vivaldi天線阻帶狹縫的長度選擇約為21.8 mm。

3.仿真與實驗結果

圖4給出了具有陷波特性Vivaldi天線的實物照片。天線尺寸為64 mm×71 mm,厚度為0.635 mm,槽線寬度為0.2 mm,內外兩Vivaldi曲線構成的漸變因子R分別為0.08和0.12。

圖4 天線實物照片(雙Y巴倫)

對所設計的雙Y巴倫微帶-槽線變換器(與多支節(jié)阻抗變化器相連)進行了仿真實驗,圖5給出了2～11 GHz反射系數S11和傳輸系數S21的仿真結果?？梢钥闯鲭pY巴倫微帶-槽線過渡結構的反射系數在-10 dB以下的帶寬約為8 GHz(3～11 GHz),在較高頻段,由于結構的電長度增長,使得該微帶-槽線過渡結構在高頻段的損耗增加。使用矢量網絡分析儀WILTRON37269A對該天線進行了測試,測得的VSWR曲線如圖6所示,VSWR≤2的阻抗帶寬為2.6～5.1 GHz及6.0～10.8 GHz。

與圖6中給出的仿真結果相比較,能看出高、低頻段的VSWR均有些差異。這主要是由于加工誤差、介質材料介電常數不穩(wěn)定和計算過程中未記入SMA同軸接頭等原因引起的。其中SMA接頭會引入隨頻率變換的電抗,導致諧振點位置的變化,尤其對高頻段影響很大。圖7給出了天線陷波特性隨著阻帶狹縫長度Ls變化的仿真圖,可以明顯地看出狹縫長度對抑制頻帶頻率位置的控制作用,說明通過調節(jié)狹縫的長度可以得到所需的隔離頻帶。圖8給出了在微波暗室測得的天線遠場E面(E-plane)和H面(H-plane)輻射方向圖?？梢钥闯?頻帶內輻射方向圖前后比大于10 dB,交叉極化低于 -15 dB。圖9給出了該天線在UWB頻率范圍內的實測增益,在抑制頻帶范圍內天線的增益明顯下降,體現(xiàn)了天線的陷波特性。

圖9 天線實測增益(Gain)

4.結 論

論述了一種具有陷波特性的超寬帶Vivaldi天線。從實驗測試結果來看,該天線具有良好的定向輻射特性,阻抗帶寬約為4:1,覆蓋了除抑制頻帶(5.1～6.0 GHz)以外的整個超寬帶頻率范圍3.1～10.6 GHz(VSWR≤2),具有對WLAN應用頻段(5.125～5.825 GHz)較好的隔離特性。其測量結果與仿真結果基本吻合,證明了該天線設計的正確性,所設計的天線可以廣泛應用于軍用和民用超寬帶通訊領域。

[1] 鐘順時,梁仙靈,延曉榮.超寬帶平面天線技術[J].電波科學學報,2007,22(2):308-316.

ZHONG Shunshi,LIANG Xianling,YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(2):308-316.(in Chinese).

[2] 張文梅 ,陳 雪,韓國瑞,等.平面超寬帶天線的設計與研究[J].電波科學學報,2008,23(2):335-340.

ZHANG Wenmei,CHEN Xue,HAN Guorui,et al.Design of planar UWB antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(2):335-340.(in Chinese)

[3] 紀奕才,賀秀蓮 ,劉其中,等.加載螺旋天線的優(yōu)化設計[J].西安電子科技大學學報,2002,29(6):721-725.

JI Yicai,HE Xiulian,LIU Qizhong,et al.Optimal design of loaded helical antennas[J].Jounal of Xidian U-niversity,2002,29(6):721-725.(in Chinese).

[4] LOVE A W.Electromagnetic Horn Antennas[M].New Yoyk:IEEE Press,1976.

[5] GAZIT E.Improvedesign of thevivaldi antenna[C]//Proc.Inst.Elect.Eng.1988,135(2):89-92.

[6] LANGIEY J D S,HALL P S,NEWHAM P.Balanced antipodal vivaldi antenna for wide bandwidth phased arrays[C]//IEE Proc.Microw.Antennas Propag.,1996,143(2):97-102.

[7] TRIFUNOVII V,JOKANOVII B.Four decade band width uniplanar balun[J].Eletronics Letters,1992,28(6):534-535.

[8] TRIFUNOVII V,JOKANOVII B.Review of printed Marchand and double Y baluns:characteristics and application[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1994,42(8):1454-1462.

[9] 呂文俊,朱洪波.陷波特性平面超寬帶天線的研究進展[J].電波科學學報,2009,24(4):780-785.

LV Wenjun,ZHU Hongbo.On the frequency notched planar ultra-wideband antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(4):780-785.(in Chinese)

[10] 吳峰濤,袁乃昌,張偉,等.超寬帶平面漸變開槽印刷天線陣的實驗研究[J].電波科學學報,2007,22(3):538-541.

WU Fengtao,YUAN Naichang,ZHANG Wei,et al.Experiment research on UWB planar tapered slot printed antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(3):538-541.(in Chinese)