超寬帶全金屬Vivaldi天線的設(shè)計

陳　金，胡明春，2，張金平,2，李小秋,2

(1. 南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

(2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點實驗室，　南京 210039)

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超寬帶全金屬Vivaldi天線的設(shè)計

陳金1，胡明春1，2，張金平1,2，李小秋1,2

(1. 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

(2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點實驗室，南京 210039)

摘要：設(shè)計了一種全金屬的Vivaldi天線，當(dāng)頻率為3~17 GHz時，其VSWR<2，在寬邊掃描情況下，VSWR小于2.0的帶寬能達到11 GHz。它不僅具有頻帶寬、方向性好等特點；同時，它還能解決傳統(tǒng)Vivaldi天線制作工藝復(fù)雜、制作成本高、物理強度低等問題，能更好地應(yīng)用于高功率雷達等領(lǐng)域。文中利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對設(shè)計天線的幾何尺寸進行了優(yōu)化，并進行了仿真與分析，通過計算天線的駐波比、方向圖、增益等性能驗證了天線的超寬帶、寬邊掃描的特性。

關(guān)鍵詞：超寬帶；全金屬；Vivaldi天線；HFSS軟件

0引言

Vivaldi天線是一種應(yīng)用日益廣泛的超寬帶天線，文獻[1]于1979年提出的一種按指數(shù)規(guī)律漸變的槽線天線，具有很寬的頻帶、高的增益以及良好的時域特性[2]等優(yōu)點，可以做成隨頻率變化具有恒定增益的天線，由它組成的單極化和雙極化陣列能夠用于寬帶天線陣列或?qū)掝l帶掃描角的相控陣中[2-3]。近年來，Vivaldi天線一直受到國內(nèi)外學(xué)者的熱點研究。

Vivaldi天線采用平面印刷結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板兩側(cè)分別貼有漸變結(jié)構(gòu)的金屬薄片，物理強度較低，它的饋電結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整體制作加工成本較高；其次，Vivaldi天線工作于高頻段(5 GHz以上)時，微帶線或帶狀線饋電結(jié)構(gòu)的特性阻抗容易隨頻率的變化而發(fā)生改變，產(chǎn)生色散現(xiàn)象[4]，從而影響天線的性能。本文在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一款全金屬的Vivaldi天線，它能夠很好地解決上述問題；采用結(jié)構(gòu)簡單的同軸饋電結(jié)構(gòu)，能夠解除傳統(tǒng)Vivaldi天線在多功能陣列以

及高功率雷達等領(lǐng)域應(yīng)用的限制[5]；同時，天線金屬厚度的增加，使得天線在工作帶寬的高頻率段不容易出現(xiàn)掃描異常的情況[5-6]。

1全金屬Vivaldi天線

1.1Vivaldi天線的機理

Vivaldi天線是一種指數(shù)漸變超寬帶天線，輻射部分形狀由如下的指數(shù)漸變函數(shù)決定[2]，(x1,z1)和(x2,z2)為漸變槽線的起點和終點，R為漸變率

z=±(c1eRx+c2)

(1)

(2)

(3)

對于漸變槽線天線輻射特性的理論分析，一般采用階梯近似法，將漸變槽縫近似為很多短的均勻縫隙級聯(lián)，如圖1所示。利用傳輸線理論求得各段縫隙切向電場的相對分布；然后，根據(jù)等效性原理，得到縫隙

中的等效磁流分布，再利用導(dǎo)體半平面上磁流元輻射的并矢格林函數(shù)，通過積分求取縫隙的輻射外場。

圖1　槽線階梯近似示意圖

均勻槽線的橫向電場[7]

(4)

依據(jù)式(4)容易得到第i段短縫隙的切向電場[7-8]

(5)

又由導(dǎo)體半平面上雙邊激勵縫隙輻射的并矢格林函數(shù)得到[7-8]

F[(kx′(sinθ+sinθcosφ)]ejk0x′sinθcosφ+

(6)

式中：F(·)為菲涅耳積分。

結(jié)合式(5)和式(6)可得到第i段短槽縫的遠區(qū)電場表達式[2,7]

(7)

通過將N段短槽縫的遠場表達式疊加，即可得到漸變槽縫天線的輻射場。

1.2全金屬Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)模型

圖2和圖3為全金屬Vivaldi天線結(jié)構(gòu)模型的側(cè)面示意圖和三維示意圖,該天線可以劃分為三個區(qū)域：饋電區(qū)、傳輸區(qū)和輻射區(qū)。其中，饋電部分位于天線底部，采用結(jié)構(gòu)簡單的同軸饋電結(jié)構(gòu)，如圖2虛線部分所示，同軸線直徑為d3；傳輸區(qū)是一段連接輻射區(qū)和饋電區(qū)的彎曲槽線，其末端連接諧振腔；輻射區(qū)由呈指數(shù)漸變的金屬槽構(gòu)成，它和另外兩部分共同構(gòu)成天線。

圖2　Vivaldi天線模型側(cè)面示意圖

圖3　Vivaldi天線模型三維示意圖

設(shè)計的全金屬天線在排陣時，相鄰的陣列單元之間可以緊密的排列，在加工制作時，只需將金屬板加工成如圖4所示的形狀,然后將多個這樣的單元緊密排成陣列，固定在金屬底板上即可，整個設(shè)計高度模塊化，陣列能夠很方便的重構(gòu)和拆卸，整個加工工藝非常簡單。

圖4　加工模型

2天線的仿真分析

2.1模型參數(shù)的確定

一般來說，工作的低頻段波長與槽線最大寬度對應(yīng)，而工作的最高頻率則受到槽線窄段寬度的限制。在實際設(shè)計中，由于各尺寸參數(shù)對天線性能的影響是相關(guān)的，這里槽線寬端取天線工作低頻對應(yīng)波長的1/10，而槽線窄線取工作高頻對應(yīng)波長的1/8，槽線長度取中心頻率對應(yīng)的波長。由于天線掃描角度會受到柵瓣等因素的影響，在不出現(xiàn)柵瓣的條件下，陣列單元間距d和掃描角度θ存在以下關(guān)系

(8)

依據(jù)上述條件初步設(shè)定天線的參數(shù)，利用HFSS軟件建立天線模型，對該天線單元設(shè)置周期邊界條件，在不掃描情況下對天線的參數(shù)進行優(yōu)化，最終確定天線的尺寸。天線各部分的幾何尺寸及陣列單元的間距如圖2和圖3所示，厚度h1為2.5，漸變指數(shù)取0.6；a=2.8，b=6.2，d1=9.2，d2=2.3，d3=2.8，d4=1.0，d5=1.95，e=15.0，f=45.0，g=8.6，h=2.0，i=0.65，l2=4.55，o=1.5。d6=d7=9.2。圖5和圖6分別給出了參數(shù)優(yōu)化后部分參數(shù)波動對天線帶寬影響的仿真結(jié)果。

圖5　槽線尺寸參數(shù)的波動對駐波比的影響

圖6　諧振腔參數(shù)的波動對駐波比的影響

由上圖可知，參數(shù)的波動對天線性能影響較小，易于加工制造。

2.2天線的駐波比

天線的電壓駐波比反映了天線的阻抗特性，也將決定天線的阻抗帶寬。圖7給出了天線的駐波比在不同掃描角度情況下隨頻率變化的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在不掃描(θ=0°)情況下，滿足VSWR<2的頻率范圍為3~17 GHz；當(dāng)掃描角達45°(θ=45°)時，天線在4~16 GHz，頻率范圍VSWR<2?？梢?，該天線能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶、寬邊掃描特性。

圖7　駐波比隨頻率的變化曲線

2.3方向圖

為了驗證天線單元及陣列的性能，這里分別給出了該天線單元及由該單元組成的32×32矩形陣列的方向圖，陣列單元之間橫向間距和縱向間距均設(shè)為9.2 mm，圖8給出了該陣列的局部示意圖。

圖8　天線陣列局部示意圖

圖9和圖10給出了天線及陣列工作在3GHz、10 GHz、17 GHz的方向圖。由圖9可以看出，天線單元在各頻點E面和H面的波束寬度非常相近且非常寬?？梢?，該天線具有寬波束特性，隨頻率的一致性較好。天線的交叉極化隨著頻率的增高呈下降的趨勢，在高頻點17 GHz，其交叉極化仍小于-40 dB，即在整個頻帶內(nèi)，天線具有低的交叉極化。圖10說明了陣列在大角度掃描情況下具有較好的定向性，驗證了該天線的超寬帶、寬邊掃描的特性。

圖9　天線單元在不同頻率下方向圖

圖10　陣列在不同頻率下45°掃描方向圖

2.4增益

圖11給出了由該天線單元構(gòu)成的32×32陣列在不同掃描角度(θ=0°、15°、30°、45°，φ=0°)情況下增益隨頻率變化的關(guān)系。從圖中可以看出，在3 GHz~17 GHz頻率范圍內(nèi)，各增益曲線基本相似；掃描角度不同，增益值稍微有所不同：角度越大，增益值在整個頻段內(nèi)均有所減小。在17 GHz頻率點處，增益取得最大值35 dB。

圖11　天線增益

3結(jié)束語

本文設(shè)計了一種全金屬Vivaldi天線，它能夠克服傳統(tǒng)Vivaldi天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、物理強度低、制作成本高等問題。結(jié)果表明該天線能夠在頻率范圍3~17 GHz內(nèi)實現(xiàn)駐波比VSWR<2，在寬邊掃描情況下，天線的阻抗帶寬依然很寬，且具有低的交叉極化，天線的方向性較好；同時，該天線結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)波動對天線性能影響較小，易于加工制造。

參 考 文 獻

[1]GIBSON P J. The vivaldi aerial[C]// 9th European Microwave Conference. [S.l.]: IEEE Press, 1979: 101-105.

[2]ANU R G, KUMAR S S. Design of vivaldi like antenna using Fourier series approach[C]// 2014 Eleventh International Conference on Wireless and Optical Communications Networks (WOCN). [S.l.]: IEEE Press, 2014: 1-5.

[3]于大群, 吳鴻超, 何丙發(fā),等. 一種寬帶寬角雙極化相控陣天線單元研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2011, 33(11): 59-62.

YU Daqun, WU Hongchao, HE Bingfa, et al. An antenna element for dual-polarized wide-band wide-angle phased array[J]. Modern Radar, 2001, 33(11): 59-62.

[4]吳群，宋朝暉. 微波技術(shù)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

WU Qun, SONG Zhaohui. Microwave technology[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 2004.

[5]KINDT R W. Ultra-wideband antenna element and array: U.S. Patent 8 350 773[P]. 2013-1-8.

[6]胡珺, 陳虎, 朱瑞平. 一種寬帶小型化相控陣天線單元的研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2015, 37(1): 52-55.

HU Jun, CHEN Hu, ZHU Ruiping. An antenna element for compact wide-band phased array[J]. Modern Radar, 2015, 37(1): 52-55.

[7]JANASWAMY R, SCHAUBERT D H. Characteristic impedance of a wide slotline on low-permittivity substrates[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 1986, 34(8): 900 - 902.

[8]JANASWAMY R, SCHAUBERT D H. Analysis of the tapered slot antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1986, 35(9): 1058 - 1065.

陳金男，1988年生，碩士研究生。研究方向為相控陣?yán)走_天線。

胡明春男，1963年生，研究員級高級工程師。研究方向為相控陣天線技術(shù)、天線CAD/CAT。

張金平男，1982年生，高級工程師。研究方向為相控陣?yán)走_技術(shù)。

Design of an Ultra-wideband All-metal Vivaldi Antenna

CHEN Jin1，HU Mingchun1,2，ZHANG Jinping1,2，LI Xiaoqiu1,2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory,Nanjing 210039, China)

Abstract：An all-metal Vivalidi antenna operating at the bandwidth of 3~17 GHz is proposed and its VSWR is less than 2 over the UWR band. The bandwidth can be up to 11 GHz in the case of broadside scan. The traditional Vivaldi antenna has the problems of high cost、low physical strength and complex structure, this all-metal Vivaldi antenna can solve those problems and this design is ideal for high-power applications. By using high frequency structure simulation software HFSS, the structure is optimized, simulations and analysis are presented for the all-metal Vivaldi array element in single polarization configuration, by computing the VSWR, radiation pattern and the gain, we can see its characteristics of ultra-wideband and broadside scan.

Key words：ultra-wideband; all-metal; Vivaldi antenna; HFSS

DOI：·天饋伺系統(tǒng)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.014

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-09-20

通信作者：陳金Email：chenjin@126.com

中圖分類號：TN957.7

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0061-04