一種小面積饋電共面Vivaldi天線

白紅燕，張旭翔，吳其磊

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一種小面積饋電共面Vivaldi天線

白紅燕，張旭翔，吳其磊

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

設(shè)計了一種小面積饋電、增益平穩(wěn)的小型化共面Vivaldi天線。該天線饋電部分的設(shè)計基于等效電路分析方法，通過在饋電耦合處設(shè)計了彎折型饋電微帶線槽邊短路與槽線開路的結(jié)構(gòu)，有效減小了天線饋電面積。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用線性漸變的四分之一波長開槽及槽間寄生貼片加載技術(shù)，顯著提高并穩(wěn)定了天線增益。利用電磁仿真軟件HFSS對該天線進(jìn)行了建模分析。仿真結(jié)果表明該天線平面尺寸為60 mm×53.1 mm，工作頻段為3~11 GHz，在工作頻帶內(nèi)增益穩(wěn)定在7~9 dBi內(nèi)，輻射效率超過80%，波束穩(wěn)定，滿足室內(nèi)通信測量及探測成像等領(lǐng)域的FCC超寬帶應(yīng)用需求。

共面Vivaldi天線；小面積饋電；開槽；寄生貼片；小型化；增益平穩(wěn)

近年來，超寬帶天線已廣泛應(yīng)用于無線通信、生物醫(yī)學(xué)探測以及雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-4]。由于超寬帶天線通常會使用在各種終端中，則必須面對低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、小型化等要求，性能與尺寸之間的權(quán)衡成為考慮的重點(diǎn)。其中Vivaldi天線由于其工作頻帶寬、增益穩(wěn)定、波束對稱、便于集成與結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，已進(jìn)入超寬帶天線應(yīng)用的優(yōu)先選擇行列。

一般來說，漸變槽線天線的設(shè)計主要集中在漸變槽線外形和饋電方式上，槽線外形主要作用在于滿足天線的輻射條件并控制天線的方向圖形狀，而天線帶寬很大程度上由饋電部分決定。對于共面Vivaldi天線來說，饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要集中在槽線和其他傳輸線的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上，Vivaldi天線的主要饋電結(jié)構(gòu)有同軸線-槽線饋電、共面波導(dǎo)-槽線饋電和微帶線-槽線饋電三種。其中應(yīng)用較廣泛的饋電形式是微帶線-槽線耦合饋電。傳統(tǒng)的微帶線-槽線Vivaldi天線，其槽線末端為圓形結(jié)構(gòu)，是為了擴(kuò)寬阻抗帶寬，但增長了天線縱向長度，文獻(xiàn)[5]提出了一種改變圓形槽線位置，移至槽線一側(cè)，減小了天線縱向尺寸，但天線增益較低，波束不穩(wěn)定。

本文設(shè)計的Vivaldi天線對傳統(tǒng)的微帶線-槽線Vivaldi天線的耦合饋電形式做出了改進(jìn)，基于饋電部分等效電路分析，首次采用了在饋電耦合處直接通過彎折型微帶線短路與槽線開路實(shí)現(xiàn)微帶線與槽線轉(zhuǎn)換匹配的結(jié)構(gòu)，有效減小了饋電面積。同時應(yīng)用了天線邊緣兩側(cè)線性漸變開槽技術(shù)及設(shè)計的槽間弧形導(dǎo)體加載抑制表面波，明顯提高了天線增益。

1 饋電結(jié)構(gòu)分析

微帶線-槽線饋電Vivaldi天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的電磁輻射是由較窄的槽線端過渡到較寬的槽線端，槽線的過渡按照指數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行，其饋電耦合結(jié)構(gòu)為虛線框部分，由此部分得到簡化的微帶線-槽線饋電基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線背面為終端開路微帶線，正面為終端短路槽線，微帶線垂直于槽線并穿過槽線，微帶線與槽線重合中心為耦合處，穿過槽線的開路微帶線延長部分長度為微帶線導(dǎo)波波長1/4，短路槽線在微帶線另一側(cè)延長部分長度為槽線導(dǎo)波波長四分之一。

圖1 微帶線-槽線饋電Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微帶線-槽線饋電基本結(jié)構(gòu)

經(jīng)過進(jìn)一步分析，微帶線-槽線饋電等效電路圖如圖3所示，om和os分別為微帶線和槽線的特征阻抗，m和s分別為延長出來的開路微帶線和短路槽線在中心頻點(diǎn)的電長度，Cm代表開路微帶線終端形成的電容，Ls為短路槽線終端造成的電感，電路中ant為輻射部分漸變槽線輸入阻抗，為了簡化分析，令ant≈os，過渡槽線與漸變槽線交界處反射較小，則表示微帶線到槽線的耦合比例，文獻(xiàn)[6-8]中給出了的閉式形式。

（a）饋電等效電路

（b）局部等效電路

（c）微帶線部分等效電路

在圖3（a）中，m與s分別為開路微帶線、短路槽線從終端至耦合處形成的輸入電抗，將等效電路（b）中槽線段阻抗經(jīng)耦合比例等效至微帶線部分得到電路（c），可得到公式（1）~（6），式中為中心頻點(diǎn)的弧度角。

(2)

(3)

(5)

(6)

式中：為微帶線-槽線耦合部分反射系數(shù)；與j分別為槽線段阻抗耦合至微帶線部分后的電阻值與電抗值；esm為耦合處的等效輸入阻抗。由式（3）~（5）可知，根據(jù)圖2所示，當(dāng)微帶線和槽線延伸部分長度都為其各自傳導(dǎo)波長的四分之一時，終端開路微帶線在耦合處相當(dāng)于短路，而終端短路槽線相當(dāng)于開路，那么式（3）反射系數(shù)就可簡化為

使2os=om可得最小反射系數(shù)。可微帶線到槽線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的頻帶有限，主要是延伸部分長度為導(dǎo)波波長的四分之一，多頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)困難。根據(jù)式（3），可得出要令減小，可使與m相抵消或使與m值都趨于0，所以為了拓展阻抗帶寬，如圖1所示，開路微帶線延伸部分設(shè)為扇形，短路槽線延伸部分設(shè)為圓形，顯然延伸部分需占用大量面積。

根據(jù)以上結(jié)論，本文設(shè)計的天線饋電方式如圖4所示，針對多頻點(diǎn)在耦合處減小反射系數(shù)問題，直接在接近耦合點(diǎn)附近使微帶線短路，m值趨于很??；槽線段在耦合處直接呈開路狀態(tài)，s趨于很大，那么式（5）中值趨于很小，這樣，可在寬頻帶上盡量滿足式（7）反射系數(shù)，此方法減少了延伸部分，使得耦合處反射系數(shù)減小，阻抗帶寬增寬，有效地減小了饋電面積。

圖4 小面積饋電Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖

其次是輸入阻抗匹配問題，饋電端輸入電阻為50 Ω，而式（6）中耦合處的等效輸入阻抗esm中存在電抗分量，饋電微帶線通過彎折產(chǎn)生的電抗性可在饋電端口與耦合處之間進(jìn)行更有效、更容易的阻抗匹配，并且微帶線彎折結(jié)構(gòu)縮小了饋電占用面積，減少了對上層輻射區(qū)域的影響。

2 天線結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)天線饋電結(jié)構(gòu)分析，基板材料選為FR4，相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm，首先確定天線中心頻率為7 GHz，選取槽線寬度2為0.5 mm，計算槽線此時特征阻抗os=103W，根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]中得到微帶線到槽線耦合比例=0.84，由2os=om，近似求得om≈74W。使用電磁仿真軟件HFSS15.0對該模型進(jìn)行仿真優(yōu)化，天線具體參數(shù)為1=50 mm，2=3.1 mm，3=2.7 mm，=60 mm，1=40 mm，2=0.5 mm，3=1.5 mm，=1.5 mm，天線尺寸為60 mm×53.1 mm。

由于槽線在耦合處為開路段，缺少槽的限制，會產(chǎn)生邊沿電流，包括在天線兩側(cè)也會存在表面電流和邊沿電流，影響天線增益及方向性。為了解決此問題，利用四分之一波長槽線開路原理，在天線兩側(cè)的開槽結(jié)構(gòu)對于表面波來說阻抗無窮大，能夠有效抑制表面波在邊緣處產(chǎn)生輻射，使電流沿漸變槽線流動輻射。本文在天線兩側(cè)設(shè)計的是隨頻率變化的線性漸變開槽線，天線的結(jié)構(gòu)如圖5所示，槽線長度范圍起始為5.5 mm（h/4），終止為18 mm（l/4），大致對應(yīng)高頻點(diǎn)11 GHz與低頻點(diǎn)3 GHz時的槽線導(dǎo)波波長的四分之一，槽線寬度為1 mm，槽間距設(shè)為1 mm，以0.5 mm深度漸變。在此基礎(chǔ)上在天線頂部槽間設(shè)置兩側(cè)呈指數(shù)規(guī)律變化的導(dǎo)體貼片，在該位置與兩側(cè)的槽線電流形成耦合，加強(qiáng)電流沿槽流動性，從而提高并穩(wěn)定天線增益與方向性，經(jīng)仿真優(yōu)化后貼片參數(shù)為4=10 mm，5=2 mm，4=15 mm。

圖5 開槽與寄生貼片加載天線結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真結(jié)果

通過電磁仿真軟件HFSS15.0對該天線進(jìn)行建模仿真，原型為圖4所示天線，改進(jìn)型為圖5所示開槽與寄生貼片加載天線。

圖6為原型與改進(jìn)型天線11對比，改進(jìn)后對天線工作帶寬無影響，在3~11 GHz頻帶范圍內(nèi)11<–10 dB。

圖6 天線S11參數(shù)對比

圖7為天線增益對比，可看出改進(jìn)后的天線增益明顯提高，尤其天線低頻段增益增長明顯，在3~9 GHz范圍內(nèi)天線增益穩(wěn)定在7~9 dBi內(nèi)。

圖7 天線增益隨頻率變化對比

圖8為頻率在4，6，8 GHz時改進(jìn)型與原型天線的E面、H面方向圖，可看出改進(jìn)后的天線旁瓣明顯減少，說明漸變開槽與導(dǎo)體加載有效地抑制了邊沿電流與表面波電流，并且波束穩(wěn)定性得到改善。

改進(jìn)后天線的輻射效率如圖9所示，可見，天線輻射效率在3~11 GHz頻帶內(nèi)都超過80%，且穩(wěn)定性較高。

（a）改進(jìn)型天線E面

（b）原型天線E面

（c）改進(jìn)型天線H面

（d）原型天線H面

圖8 天線的方向圖

Fig.8 Direction graphs of the antenna

圖9 改進(jìn)型天線輻射效率隨頻率變化趨勢

4 結(jié)論

設(shè)計了一款小面積饋電及性能穩(wěn)定的共面Vivaldi天線，通過在饋電耦合處設(shè)計了彎折型饋電微帶線槽邊短路與槽線開路的結(jié)構(gòu)，有效地減小了饋電面積，實(shí)現(xiàn)了天線小型化；再通過運(yùn)用漸變開槽與寄生貼片加載技術(shù)提高并穩(wěn)定了天線增益。該天線工作帶寬為3~11 GHz，尺寸僅為60 mm×53.1 mm，天線體積小，增益穩(wěn)定且適中，輻射效率高，波束穩(wěn)定，能夠很好滿足室內(nèi)通信測量及探測成像等特定領(lǐng)域FCC超寬帶應(yīng)用需求。

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（編輯：陳渝生）

Small area feeding coplanar Vivaldi antenna

BAI Hongyan, ZHANG Xuxiang, WU Qilei

(College of Electronics Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

A small feeding area, miniaturized coplanar Vivaldi antenna with a stable gain was designed. Based on the equivalent circuit analysis method, the feeding structure of the proposed antenna was obtained by using an open-circuited slot line and a folded feeding micro-strip line, which was short-circuited in the slot side, on the coupling area to reduce feeding area effectively. Meanwhile, the antenna gain was improved and stabilized remarkably by using the linearly gradient quarter-wavelength slot and the parasitic patch loaded technology inside the slot. The dimensions of the antenna were simulated with electromagnetic simulation software HFSS. Simulation results indicate that the antenna with the size of 60 mm×53.1 mm has a working band of 3－11 GHz. In this wideband, the proposed antenna, with a gain stabilized within 7－9 dBi, a high radiation efficiency of above 80% and a stable beam, can meet the requirements of the FCC ultra-wideband applications of indoor communication measurement, detection imaging and other areas.

coplanar Vivaldi antenna; small area feeding; slotting; parasitic patch; miniaturization; stable gain

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.03.015

TN822

A

1001-2028（2017）03-0072-05

2017-01-06

白紅燕

張旭翔（1958－），男，江蘇南京人，教授，研究方向?yàn)殡姶艌鰯?shù)值計算研究，E-mail: zhangxx@njcit.cn ；白紅燕（1991－），女，云南大理人，研究生，研究方向?yàn)槌瑢拵炀€研究與設(shè)計，E-mail: 15850781091@139.com 。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170310.1148.015.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-03-10 11:48