超寬帶Vivaldi天線的設計及分析

王府生，劉淑芳，李慧敏，張靜雅，史小衛(wèi)

(西安電子科技大學 天線與微波技術國家重點實驗室，西安 710071)

0 引言

Vivaldi天線是GIBSON于1979年提出的一種指數(shù)漸變槽線天線，作為一種超寬帶行波縫隙天線，其逐漸變寬形成喇叭口形狀的縫隙結構是輻射或接收能量的主體[1]。由于在不同的頻率上，槽線不同部分發(fā)射或接收電磁波，因此Vivaldi天線具有端射、工作頻帶較寬、增益較高、方向圖波束對稱等特點[2]。此外，它具有剖面低、質量輕、易于制作、便于共形、便于和微波電路集成等優(yōu)點，在微波和毫米波波段具有廣泛的應用[3]。

近年來國內(nèi)外對Vivaldi天線的研究很多，但總體來說對于同時實現(xiàn)超寬帶、低剖面、穩(wěn)定高增益的文獻還很少。例如：陳文星等[4]在平衡對跖Vivaldi天線的基礎上，對天線開不對稱半橢圓槽的方法克服方向圖不對稱的問題；DE OLIVEIRA A等[5]通過將槽線形狀改變?yōu)槔酶道锶~級數(shù)設計不規(guī)則曲線，雖然具有2.1～9.2 GHz的阻抗帶寬，但其在4.5～6.5 GHz頻段內(nèi)增益較低，增益不平穩(wěn)；AUN R G等[6]提出一種棕櫚樹狀指數(shù)槽邊改進的Vivaldi天線，擴展了低頻段的帶寬限制，提高了主瓣增益，但設計結構較為復雜。

由于機載、彈載等平臺的空間有限，希望用一副天線實現(xiàn)雷達、通信和電子對抗等多種功能，這就需要天線具有低剖面、超寬帶等特點[7-10]。本文在分析常規(guī)型Vivaldi天線的基礎上，設計改進了1副頻帶為2～18 GHz的雙指數(shù)漸變Vivaldi天線，天線采用雙指數(shù)漸變結構，目的是消除開口突然結束產(chǎn)生的散射，從而獲得較寬的帶寬。與常見對跖Vivaldi天線和平衡Vivaldi天線的2個輻射貼片分別置于介質基板的上下2個表面不同，本文將Vivaldi天線的2個輻射貼片置于介質基板的同一表面，與傳統(tǒng)Vivaldi天線相比具有剖面低，結構簡單，容易加工的優(yōu)點。同時不存在E面方向圖不對稱的問題，性能較優(yōu)越。

1 天線結構

本文設計的微帶線-槽線饋電形式的Vivaldi天線，主要由天線、阻抗變換器、巴倫和金屬微帶線4部分組成，是對常規(guī)Vivaldi天線的一種改進。

為取材方便，選用介質基板為厚度0.8 mm的 Arlon Tc350材料(相對介電常數(shù)=3.5，介質損耗角正切=0.002)。

Vivaldi天線結構如圖1所示。長度為a，寬度為b，厚度為h的介質板上表面由天線貼片，矩形共面帶線阻抗變換器和超寬帶巴倫3部分組成。其中天線貼片的雙指數(shù)漸變形對稱結構由起始點P1(x1,y1)，終點P2(x2,y2)和槽線漸變率R共同決定，漸變槽線上下開口寬度分別為L上=2(y2-y1)+D6，L下=D6，槽線的長度C=(x2-x1)。共面帶線阻抗變換器為圖1中長度為L3，寬度為D5的矩形。巴倫結構包括上底為2D4+D6，下底為D1，高為L1的梯形和2個長度為L2，寬度為D4的矩形組成。介質板下表面為上底為D3，下底為D2，長度小于最低頻率1/4波長的金屬微帶漸變線。

微帶饋線通過介質板的金屬通孔與上表面巴倫結構上寬為L4的微小縫隙共同調(diào)節(jié)傳輸?shù)焦裁鎺Ь€上，同時實現(xiàn)微帶線與共面帶線的寬帶阻抗匹配[11]。

根據(jù)微帶傳輸線及槽線理論，給出計算Vivaldi天線結構基本參數(shù)的分析過程與詳細步驟[12]。

由于微帶線要與同軸線匹配，因此選定微帶線特性阻抗Z=50 Ω，然后確定微帶漸變線初始寬度；有如下公式

q=2πud/λ0+arctan(u/v)

(1)

(2)

(3)

圖1 Vivaldi天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Vivaldi antenna

式中：d為介質基板厚度；εr為有效介電常數(shù)；λ0為自由空間波長；λs為槽線內(nèi)介質波長。則耦合因子為

N=cos(2πud/λ0)-cot(q)sin(2πud/λ0)

(4)

微帶線特性阻抗Z與槽線特性阻抗Zt之間的關系為

Z=N2Zt

(5)

從而可以得到槽線特性阻抗Zt，再由下式可求得槽線寬度w。

lnεr)](w/d)ln(100d/λ0)+131.1(1.028-

(6)

天線開口寬度分別由所設計的工作頻段的高、低截止頻率決定。通常取開口最寬處為低頻截止頻率所對應介質波長的1.3倍左右，最窄處寬度為高頻截止頻率所對應工作波長的2%左右[13]。從而確定Vivaldi天線漸變槽線的上下開口寬度。

根據(jù)天線漸變槽線的上下開口寬度和槽線長度確定指數(shù)漸變槽線起始點P1(x1,y1)和終止點P2(x2,y2)，然后通過Vivaldi天線指數(shù)線模型公式確定雙指數(shù)方程。

Vivaldi天線指數(shù)線模型公式[11]為

y=±(c1eRx+c2)

(7)

通過以上步驟即可初步計算出超寬帶Vivaldi天線的基本參數(shù)。本文所設計的雙指數(shù)漸變天線的漸變線由兩部分組成。

1) 內(nèi)部漸變線取值為：R=0.1,x1=0,y1=0.1,x2=55,y2=50.1。

2) 外部漸變線取值為：R=0.5,x1=0,y1=1.73,x2=15,y2=50.1。

代入式(7)中即可得出內(nèi)側指數(shù)漸變線方程與外側指數(shù)漸變線方程。最后利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設計的Vivaldi天線各參數(shù)進行設計優(yōu)化，優(yōu)化后天線的結構關鍵參數(shù)見表1。

表1 天線單元相關參數(shù)

2 天線仿真結果與分析

利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設計的Vivaldi天線進行仿真。

2.1 天線S11參數(shù)仿真結果

內(nèi)指數(shù)漸變率R不同時天線的S11參數(shù)如圖2所示。天線的S11參數(shù)與R有關，R減小時，可以改善整個頻段內(nèi)特別是低頻端的回波損耗。

圖2 內(nèi)指數(shù)漸變率R不同時天線的S11參數(shù)Fig.2 Antenna parameter S11 changing with R

2.2 天線增益仿真結果

R不同時的天線的增益如圖3所示。隨著R的增大，同一頻率下天線的增益減小，特別是在低頻至中心頻率范圍內(nèi)這一趨勢表現(xiàn)更為明顯。

圖3 內(nèi)指數(shù)漸變率R不同時的天線增益Fig.3 Antenna gain changing with R

對小型Vivaldi天線而言，R的取值會直接影響天線輸入端口的回波損耗和天線的增益。綜合不同R時的天線的S11參數(shù)和增益，本文取R=0.1。

槽線內(nèi)波導波長比自由空間波長小，因此槽線的能量聚集在槽線的附近。大量實驗證明，槽線傳輸線的基本傳輸模式是“準TEM?！保皇荰EM模[14-16]。Vivaldi天線貼片表面電流分布如圖4所示，輻射單元上的電流主要分布在漸變槽線附近。

3 天線測試結果與分析

3.1 天線實物制作

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)確定天線尺寸大小，并實際加工制作了雙指數(shù)漸變槽線天線實物，如圖5所示。

圖5 Vivaldi天線加工實物圖Fig.5 Physical drawing of Vivaldi antenna

同時利用矢量網(wǎng)絡分析儀Agilent MS46322 A 在2～18 GHz頻帶內(nèi)對所加工天線的S11參數(shù)進行了測量，結果如圖6所示。

圖6 Vivaldi天線S11參數(shù)仿真與測量結果對比Fig.6 Comparison of Vivaldi antenna parameter S11 simulation and measurement results

從圖6可看出，該天線實際測量的S11參數(shù)在低頻4～6 GHz內(nèi)存在一定差異，除此之外在全頻帶內(nèi)的變化趨勢與仿真結果基本一致，在2～18 GHz全頻段內(nèi)仿真與測量的S11參數(shù)都優(yōu)于-10 dB。出現(xiàn)這種情況的原因是：在低頻端，天線匹配較差，不能進行有效輻射；在高頻端，天線上的電流沿天線衰減較為迅速，輻射性能好。

3.2 天線方向圖測試結果

為了驗證小型化超寬帶Vivaldi天線的輻射性能，對所設計加工的Vivaldi天線的方向圖和增益進行了測試。并與仿真結果進行對比，本文給出5個典型頻點遠場方向圖的仿真與測試結果，如圖7所示。

圖7 Vivaldi天線仿真與測試歸一化方向圖對比Fig.7 Comparison of Vivaldi antenna simulation and test normalized directional pattern

從圖7可看出，實測和仿真的方向圖存在細微差異。這是由于天線加工誤差、安裝誤差及測試環(huán)境不理想等原因引起的。同時由于天線加工精度的原因，天線實物與仿真模型在指數(shù)漸變最窄處不能很好地吻合，會直接影響到高頻段的輻射性能。天線在高頻段會引起高次模激勵，因此，圖7(e)中出現(xiàn)較多旁瓣。但總體來說，整個工作頻段內(nèi)天線方向圖的測試與仿真結果基本一致，且天線端射特性良好。

3.3 天線增益測試結果

Vivaldi天線增益仿真與測量結果對比如圖8所示。在整個工作頻段內(nèi)Vivaldi天線的增益隨著頻率增高而增加，且最高可達10.5 dB。天線在整個頻段內(nèi)主輻射方向增益的實測和仿真結果基本一致。

圖8 Vivaldi天線增益仿真與測量結果對比Fig.8 Comparison of Vivaldi antenna gain simulation and measurement results

4 腔體對超寬帶Vivaldi天線影響

在實際應用中，為了符合載體的性能與美觀要求，天線往往置于金屬皮層內(nèi)，這就需要對位于金屬腔體內(nèi)的天線實際輻射情況進行研究。

置于腔體內(nèi)的超寬帶Vivaldi天線仿真如圖9所示。將所設計的Vivaldi天線放置于一無蓋金屬腔體內(nèi)，其中Ground_z為腔體底面至天線的距離，Ground_x為沿X軸即天線最大輻射方向上腔體側面至天線的距離。

圖9 置于腔體內(nèi)的超寬帶Vivaldi天線仿真圖Fig.9 Ultra-wideband Vivaldi antenna placed in cavity

4.1 腔體尺寸對參數(shù)S11的影響

以參數(shù)S11的仿真結果為參考，對所設置的變量進行參數(shù)掃描分析，得出金屬腔體的最佳尺寸。

對變量Ground_x和Ground_z進行參數(shù)掃描，其S11的仿真結果如圖10、11所示。由圖10可見，當Ground_x=62 mm時，即沿天線最大輻射方向上腔體側面至天線的距離為62 mm時，天線的S11仿真結果較好，在2～18 GHz全頻段內(nèi)均優(yōu)于-10 dB。由圖11可見，當Ground_z=42 mm時，即腔體底面至天線的距離為42 mm時，天線的S11仿真結果較好，在2～18 GHz全頻段內(nèi)均優(yōu)于-10 dB。

通過優(yōu)化最終確定腔體底面至天線的距離為42 mm，沿天線最大輻射方向上，腔體側面至天線的距離為62 mm。最終參數(shù)S11的仿真結果如圖12所示。

4.2 腔體對天線單元的影響

采用上述腔體結構參數(shù)，仿真分析腔體對天線方向圖的影響，3個典型頻點處的3D方向圖如圖13所示。為便于比較，同時給出了未放置于腔體前的方向圖。

圖10 S11隨Ground_x的變化Fig.10 S11 changing with Ground_x

圖11 腔體底面至天線的不同距離Ground_z所對應的S11Fig.11 Corresponding S11of Ground_z(distance from the bottom of the cavity to the antenna)

圖13 不同頻點處的三維方向圖對比Fig.13 Comparison of three-dimensional patterns at different frequencies before and after Vivaldi antenna is placed in the cavity

通過對比天線單元放置于腔體內(nèi)前、后在典型頻點處的三維方向圖，可看出將天線單元放置于金屬腔體后，最大輻射方向發(fā)生了一定程度的偏轉，特別在低頻2 GHz時，偏轉較為明顯。但隨著頻率增高，偏轉變得不明顯，這是由于腔體的金屬面存在一定程度的反射所致。

5 結束語

本文在分析傳統(tǒng)型Vivaldi天線的基礎上，改進設計了一種2～18 GHz的雙指數(shù)漸變結構Vivaldi天線，并完成對天線的實物加工與測試。實測結果表明：該天線在工作頻段內(nèi)的回波損耗優(yōu)于-10 dB，增益最高可達到10.5 dB。與傳統(tǒng)Vivaldi天線相比，改進后天線具有超寬帶、增益高且平穩(wěn)、方向圖對稱，以及結構簡單等特點。并通過將天線單元放置于金屬腔體內(nèi)來模擬實際應用環(huán)境，仿真表明：低頻端輻射方向相對于原來的輻射方向會發(fā)生一定偏轉，但隨著頻率增高，方向圖偏轉角度明顯減小甚至不發(fā)生偏轉，天線單元依然具有良好的端射特性，可廣泛應用于對帶寬和增益有嚴格要求的高頻段導彈、雷達系統(tǒng)以及微波探測等軍用、民用領域。

在實際應用中，考慮到尺寸限制、加工成本等因素，今后的研究過程中在保證天線具有較好輻射特性的前提下，盡可能做到小型化、低交叉極化。同時可將設計的高增益Vivaldi天線單元組成陣列，研究和分析其各方面指標特性。

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