8-18GHz的Vivaldi天線的分析與設(shè)計(jì)

范燁

（蘭州781廠研究所，甘肅 蘭州730070）

8-18GHz的Vivaldi天線的分析與設(shè)計(jì)

范燁

（蘭州781廠研究所，甘肅 蘭州730070）

本文設(shè)計(jì)了一種工作頻帶范圍為8-18GHz的高增益Vivaldi天線陣元。通過電磁仿真軟件HFSS V12.0對(duì)天線陣元的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，計(jì)算了天線的駐波系數(shù)、增益方向圖等電性能參數(shù)。仿真結(jié)果表明該Vivaldi天線增益方向圖對(duì)稱性好，波束覆蓋范圍寬，增益高，可以很好地滿足作為寬頻帶寬角掃描陣列單元的要求。

Vivaldi天線，寬頻帶，高增益，寬波束

1 概述

超寬帶技術(shù)在1970年得到深入研究并在無線領(lǐng)域得到應(yīng)用。20世紀(jì)80年代作了最廣泛的研究，隨著脈沖無線通信組成部分新的完善和對(duì)系統(tǒng)性能更好的理解，超寬帶通信技術(shù)進(jìn)入到成熟階段，使超寬帶通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

現(xiàn)代超寬帶系統(tǒng)對(duì)天線主要有四個(gè)要求［1］：（1）寬帶特性；（2）波束對(duì)稱；（3）天線單元要足夠小，否則天線在最高頻點(diǎn)方向圖會(huì)出現(xiàn)畸變；（4）天線單元能夠與印刷電路的收發(fā)模塊集成，用以實(shí)現(xiàn)波束電掃描。相對(duì)帶寬大于25%是超寬帶系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。

以往傳統(tǒng)的雷達(dá)一般相對(duì)帶寬較小，已經(jīng)不能滿足日益增長的要求。寬帶、超寬帶、高穩(wěn)定則是新一代雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。超寬帶天線的類型有對(duì)數(shù)周期天線、螺旋天線、變形雙錐天線以及Vivaldi天線，而Vivaldi天線由于具有超寬頻帶特性。除此以外，Vivaldi天線還具有副瓣電平低、增益適中、波束寬度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，無論單獨(dú)使用還是作為陣列單元都具有良好的性能。因此，研究Vivaldi天線對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的性能以及共形相控陣?yán)走_(dá)的研制都具有非常重要的意義。

2 Vivaldi天線基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

Vivaldi天線的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，一般由印制電路技術(shù)制成，利用微帶線或帶狀線對(duì)陣元饋電作為陣元的一部分，每個(gè)Vivaldi天線都包含一個(gè)巴侖過度段。槽線部分由圓形槽線、矩形槽線和漸變槽線三部分組成。其中圓形槽線對(duì)帶狀傳輸線起到阻抗匹配作用；矩形槽線和帶狀傳輸線起到相互耦合傳輸電磁波的作用；漸變槽線對(duì)天線所輻射的電磁波起到引向作用。

與其他形式的漸變槽天線（TSA）類似，Vivaldi天線有兩種主要的輻射機(jī)制：1）行波機(jī)制；2）諧振機(jī)制。長度小于一個(gè)自由空間波長的Vivaldi天線，其輻射屬諧振式，通常這些天線增益較低，波束寬且伴有小的紋波［5］。

圖1 Vivaldi天線基本結(jié)構(gòu)示意圖

Vivaldi天線的工作帶寬主要決定于兩個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域的帶寬特性，一個(gè)是饋電點(diǎn)處槽線和其他形式傳輸線之間的轉(zhuǎn)換，另一個(gè)是其開路終端到自由空間的轉(zhuǎn)換。陣元較長，通?？墒沟皖l特性好且?guī)捿^寬，基片厚度約為單元寬度的1/10，陣元的指數(shù)張開率Ra和圓腔直徑Dsi對(duì)天線的性能影響大，要想獲得寬帶特性，這兩個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)都需實(shí)現(xiàn)理想的阻抗匹配。

3 高增益Vivaldi天線的設(shè)計(jì)與仿真

Vivaldi天線是一種非周期、漸變、端射行波天線，在不同工作頻率下，天線的電尺寸始終保持不變，并且在整個(gè)工作頻域內(nèi)，天線的輸入阻抗和輻射方向圖也是近似不發(fā)生改變的。Vivaldi天線的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段［1-3］：傳統(tǒng)Vivaldi天線；對(duì)拓Vivaldi天線；平衡Vivaldi天線。目前較常見的是對(duì)拓Vivaldi天線和平衡Vivaldi天線。

對(duì)拓Vivaldi天線采用的是微帶線饋電，這種結(jié)構(gòu)形式的天線最主要的缺點(diǎn)就是交叉極化電平較高。為了改善這個(gè)缺點(diǎn)，Langley等提出了一種帶狀線饋電的Vivaldi天線，它是在對(duì)拓Vivaldi天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而形成的，如圖2所示。

圖2 平衡Vivaldi天線

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)帶狀線方式饋電的平衡Vivaldi天線。與對(duì)拓Vivaldi天線進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，平衡Vivaldi天線在兩層介質(zhì)基片中間加入了一片與兩側(cè)金屬覆層對(duì)拓的薄金屬，它的主要作用是使天線內(nèi)部的電場(chǎng)方向達(dá)到平衡，即帶狀線在兩層介質(zhì)板之間饋電，而完全相同的兩個(gè)展開槽線被刻蝕在上下兩表面上。

平衡Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)部分：帶狀線饋電部分，帶狀線到槽線的轉(zhuǎn)換部分和輻射部分。其中轉(zhuǎn)換部分是天線設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)部分，由于天線在高頻時(shí)對(duì)不連續(xù)的結(jié)構(gòu)是非常敏感的，所以本文中天線所有的槽線都采用指數(shù)形式的曲線，目的是消除突然結(jié)束產(chǎn)生的散射。此外，轉(zhuǎn)換部分也充當(dāng)了巴倫的作用，并且由于是漸變結(jié)構(gòu)，所以它本身的帶寬也很寬。

天線中指數(shù)形式的槽線可以通過開放指數(shù)R和兩個(gè)端點(diǎn)p1（x1，y1），p2（x2，y2）來確定：

天線的設(shè)計(jì)過程是半經(jīng)驗(yàn)性的，為了得到一個(gè)性能優(yōu)良、工作頻率在8-18GHz之間的平衡Vivaldi天線，需要從兩個(gè)方面著手進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是帶狀線線到槽線的轉(zhuǎn)換部分；一是輻射區(qū)域。這兩部分的設(shè)計(jì)涉及到很多參數(shù)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要借助仿真工具進(jìn)行計(jì)算，不斷逼近理想結(jié)果。

將該天線模型采用ANSYS公司的電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真。

注意圖中天線的放置，縫隙朝向Z軸正向，基板平面為YOZ面。天線采用介質(zhì)板的介電常數(shù)，單層介質(zhì)板的厚度為0.5mm。敷銅板的厚度0.03mm，本文最終所設(shè)計(jì)的天線尺寸為19mm×45mm×1.575mm。

圖3分別是天線在10GHz、14GHz和18GHz處的三維立體圖，可以看出天線的最大輻射方向基本都在其端射方向，始終指向z軸。表1是天線在10GHz、14GHz和18GHz處的增益大小，可以看出天線的增益隨著頻率的升高而增加。

表1 天線在不同頻率的增益大小

4 結(jié)論

本文從分析Vivaldi天線結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款可用于超寬帶系統(tǒng)的Vivaldi天線。該天線的阻抗帶寬是8-18GHz，并且天線的尺寸有了明顯的減小；天線的最大增益隨頻率變化而變化，基本規(guī)律是增大趨勢(shì)；天線在整個(gè)頻帶內(nèi)的方向性較好，只是在高頻18GHz方向圖稍有畸變。Vivaldi天線不僅具有超寬的頻帶外，并且結(jié)構(gòu)簡單、組陣方便，因此在超寬頻帶的移動(dòng)通訊天線、雙極化天線和共形相控陣掃描天線等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 周明，張樹人，張浩斌.8～12GHz Vivaldi槽縫天線陣設(shè)計(jì)及綜合［J］.中國電子科學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，5（4）：376-380.

［2］ 任波等.漸變槽線天線的參數(shù)分析與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32（11）：58-62

［3］ 劉密歌.Vivaldi寬頻帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，262（23）：95-96.

［4］ 張鋒.一種工作于0.5～2GHz的小型化Vivaldi天線［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26（6）：54-57

［5］ 趙捷.王巖飛.12～20GHz的TSA天線.電子與信息學(xué)報(bào)，第31（5）.

［6］ Schaubert D H，Chio T H，Holter H.TSA element design for 500-1500MHzarray［C］.IEEEAntennasandPropagationSo cietyInternationalSymposium，2000.178-181

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