超寬帶低剖面Half?Vivaldi端射天線孔徑設(shè)計

金榮 李思佳 張國雯 王平祿

摘 ?要： 為了減小天線剖面，以滿足實際工程應(yīng)用需求，在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，根據(jù)其工作機理和鏡像原理，設(shè)計垂直極化端射的超寬帶低剖面Half?Vivaldi天線孔徑。該天線孔徑由Half?Vivaldi天線和金屬地板組成，與Vivaldi天線相比，設(shè)計的天線孔徑具有明顯的小型化效果。仿真優(yōu)化了天線孔徑的相關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果表明，天線在2.99～18.3 GHz頻帶范圍內(nèi)滿足電壓駐波比小于2，相對帶寬達143.66%;天線在2.99～17.1 GHz頻帶范圍內(nèi)，隨著頻率升高增益逐漸增大，整個頻段天線增益都保持在4.3 dBi以上，最高可達10.3 dBi。

關(guān)鍵詞： Half?Vivaldi天線; 天線孔徑; 超寬帶; 端射; 垂直極化; 天線剖面減小

中圖分類號： TN82?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0038?04

Design of ultra?wideband Half?Vivaldi antenna aperture

with low profile and end?fire radiation

JIN Rong1， LI Sijia2， ZHANG Guowen2， WANG Pinglu2

（1. The Seventh Military Representative Office of Air Force Stationed in Xian， Xian 710068， China;

2. School of Information and Navigation， Air Force Engineering University， Xian 710077， China）

Abstract： In order to reduce the profile of antenna， and satisfy the demand of practice engineering application， an ultra?wideband Half?Vivaldi antenna aperture with low profile and vertical polarization end?fire radiation is designed according to its working mechanism and mirror principle. The antenna aperture is composed of Half?Vivaldi antenna and metallic ground plate， and has smaller size than the Vivaldi antenna. The relevant parameters of the antenna aperture are optimized with simulation. The simulation results show that the antenna working in the bandwidth of 2.99～18.3 GHz can maintain the voltage standing wave ratio less than 2 and obtain the relative bandwidth of 143.66%， the gain of the antenna working in the bandwidth of 2.99～17.1 GHz is gradually enhanced with the increase of frequency， and the gain of the antenna working in whole bands is higher than 4.31 dBi， which can reach up to 10.3 dBi maximum.

Keywords： Half?Vivaldi antenna; antenna aperture; ultra?wideband; end?fire radiation; vertical polarization; antenna profile reduction

0 ?引 ?言

隨著無線通信應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和軍事技術(shù)的飛速發(fā)展，天線越來越廣泛地運用于飛機、導(dǎo)彈、火箭等特定載體的雷達系統(tǒng)中，而這類系統(tǒng)不僅要求天線體積小、重量輕、與載體良好共形，還要能有效防止載體自身對天線性能產(chǎn)生影響。由于端射天線在主波束方向上沒有與天線方向性成正比的口徑大小，適合于較小風(fēng)阻的應(yīng)用場合[1?2]。

Vivaldi天線最早由Gibson教授于1979年提出[3]。該天線因其具有超寬帶、增益適中、波束可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單和尺寸小等優(yōu)點，受到了人們的青睞。因而廣泛應(yīng)用在探地雷達、遙感、超寬帶通信系統(tǒng)、寬帶相控陣和射電天文等領(lǐng)域[4?5]。但傳統(tǒng)的Vivaldi天線尺寸較大，很難滿足實際機載、彈載等飛行器平臺的應(yīng)用需求。

為了滿足應(yīng)用需求，在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，根據(jù)其工作機理和鏡像原理，設(shè)計垂直極化端射的超寬帶低剖面Half?Vivaldi天線孔徑。仿真結(jié)果驗證了天線孔徑優(yōu)異的超寬帶輻射特性，同時該天線具有明顯的小型化效果。

1 ?Half?Vivaldi天線孔徑設(shè)計

Vivaldi天線屬于漸變縫隙天線的一種，廣泛應(yīng)用于超寬帶天線設(shè)計中，槽線外形按指數(shù)函數(shù)變化是其主要特點。因為Vivaldi天線的輻射槽線由窄逐漸變寬，隨著工作頻率的變化，電磁波輻射區(qū)域也相應(yīng)改變，槽線的開口寬度與天線輻射波長相對應(yīng)。在工作頻帶范圍內(nèi)，該天線的輸入阻抗和輻射方向圖基本保持不變，因此其表現(xiàn)出超寬帶特性。根據(jù)Vivaldi天線工作機理和電磁鏡像理論設(shè)計Half?Vivaldi天線孔徑。圖1為設(shè)計的Half?Vivaldi天線孔徑結(jié)構(gòu)示意圖。將Half?Vivaldi天線置于金屬平面上，構(gòu)成Half?Vivaldi天線整體，如圖1a）所示。天線兩層輻射貼片的中間層是相對介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板，天線的金屬輻射貼片在介質(zhì)板的正面和背面，結(jié)構(gòu)對稱，其邊緣均符合對稱指數(shù)曲線。天線孔徑輻射貼片的具體結(jié)構(gòu)如圖1b）所示。介質(zhì)板中間為扇形饋電結(jié)構(gòu)，50 Ω的標準SMA頭內(nèi)芯穿過金屬地板與扇形微帶線饋電結(jié)構(gòu)相連。天線孔徑的饋電結(jié)構(gòu)如圖1c）所示。

圖1 ?Half?Vivaldi天線孔徑

與Vivaldi天線具有近似的工作原理，Half?Vivaldi天線孔徑工作帶寬和所能輻射出的電磁能量主要由指數(shù)漸變槽線的開口寬度決定。當槽線開口相對較小時，輻射槽線就會對電磁能量起到束縛作用，此時天線只有很小的輻射;而當開口寬度增大到接近[12]諧振波長時，輻射槽線的束縛能力將會變?nèi)?，電磁能量可以很好地輻射出去。同時，介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)越大對電場的束縛能力越強，因此，Half?Vivaldi天線孔徑要采用低介電常數(shù)的介質(zhì)板，以減小其對電場產(chǎn)生的約束。在Half?Vivaldi天線孔徑當中，天線孔徑的金屬輻射貼片表面電流沿槽線邊緣的窄端流向?qū)挾朔较?，電磁能量逐漸向外輻射。因此天線的輻射特性與電流的流動密切相關(guān)[6?9]。

圖2 天線孔徑槽線部分的參數(shù)仿真優(yōu)化

2 ?仿真優(yōu)化與性能分析

為了獲得超寬帶的阻抗匹配效果和較好的端射效果，這里優(yōu)化了天線孔徑輻射貼片槽線部分參數(shù)，具體包括開口槽寬端寬度[W2]、開口槽窄端寬度[Ws]、半圓形諧振腔的半徑[Dr]、開口槽線指數(shù)函數(shù)的漸變率[δ]。

如圖2所示為天線槽線部分的參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果。在優(yōu)化中，保持天線的尺寸不變，仿真比較開口槽寬端寬度[W2]取不同值時的回波損耗曲線。開口寬度[W2]從6～12 mm進行參數(shù)掃描分析，從圖2a）可以看出，隨著[W2]增大，天線的阻抗匹配特性呈現(xiàn)出先下降后抬升的趨勢，天線工作頻帶逐漸向低頻端擴展。當[W2]增大到一定程度低頻處工作頻帶不再展寬，高頻處工作頻帶開始縮減，在[W2]=10 mm時匹配性能最好，且?guī)捵顚?。仿真比較了開口槽窄端寬度[Ws]對天線回波損耗的影響，從圖2b）可以看出，[Ws]對天線高頻處匹配特性影響較大。隨著[Ws]的增加，高頻部分的工作帶寬有所擴展，但是也出現(xiàn)了曲線向上抬升的現(xiàn)象。綜合考慮當[Ws]=0.4 mm時天線匹配性能最好。仿真比較半圓形諧振腔半徑[Dr]取不同值時天線的回波損耗，如圖2c）所示，可以看出，[Dr]對天線低頻處的匹配特性影響較大，隨著[Dr]增大，天線的低頻匹配逐漸變好。仿真比較開口槽線指數(shù)函數(shù)的漸變率[δ]對天線回波損耗的影響，如圖2d）所示。

可以看出隨著[δ]增大，天線的低頻端匹配性能逐漸變好，但隨著[δ]進一步增大，中間頻帶反射系數(shù)曲線逐漸升高，天線匹配性能開始變差，這是因為天線開口槽線越平緩，越有助于電磁能量向外輻射，但是增大到一定程度會影響天線阻抗匹配特性。綜上分析可知槽線部分的各參數(shù)主要影響天線的阻抗匹配。

圖3 不同δ 時天線孔徑輻射方向圖仿真優(yōu)化

為了獲得較好的端射輻射效果，這里重點優(yōu)化開口槽線指數(shù)函數(shù)的漸變率[δ]。在[δ]取不同值時，天線孔徑在3 GHz，6 GHz，9 GHz，12 GHz，15 GHz和18 GHz各個頻點時的二維輻射方向圖如圖3所示。圖3a）為天線孔徑[xOz]面方向圖，圖3b）為天線孔徑[xOy]面方向圖。

從圖3可以看出，[δ]的變化對天線低頻段方向圖影響不大，但對天線高頻段方向圖影響較為明顯，[xOz]面和[xOy]面都表現(xiàn)出隨著[δ]增大方向圖后瓣逐漸增大的現(xiàn)象，但仍然保持較好的方向圖一致性。

結(jié)合回波損耗隨[δ]的變化規(guī)律，這里折衷考慮選取[δ=0.4]。通過調(diào)節(jié)參數(shù)[δ]的取值，能夠有效增長電流路徑，改善天線輻射性能，尤其是天線的端射效果。

通過仿真優(yōu)化，確定最優(yōu)參數(shù)值[d=]18.4 mm，[W1=]12 mm，[W2=]10 mm，[La=]9 mm，[Lb=]4 mm，[Ws=]0.4 mm，[Dr=]1.3 mm，[Rr=]4.4 mm，[Ld=]7.4 mm，[Wst=]2.6 mm，[θ=]90°。優(yōu)化后的Half?Vivaldi天線孔徑的仿真駐波比和增益曲線如圖4所示。

圖4 ?優(yōu)化后Half?Vivaldi天線孔徑的駐波比和增益

天線在2.99～18.3 GHz頻帶范圍內(nèi)滿足VSWR<2，相對帶寬達143.66%。天線在2.99～17.1 GHz頻帶范圍內(nèi)隨著頻率升高增益逐漸增大，整個頻段天線增益都保持在4.3 dBi以上，最高可達10.3 dBi。

圖5和圖6分別為優(yōu)化后天線孔徑在3 GHz，8 GHz，13 GHz和18 GHz處的[xOz]面、[xOy]面仿真的輻射方向圖?？梢钥闯?，隨著頻率的升高，天線波束寬度逐漸變窄，增益逐漸增大，在低頻段的天線方向圖上翹比較嚴重，隨著頻率的升高天線方向圖上翹角度逐漸變小，端射效果增強。

綜上分析可以看出，設(shè)計的Half?Vivaldi天線孔徑具有超寬帶端射特性，同時由于比Vivaldi天線減小了一半的高度，因此具有明顯的小型化效果。

3 ?結(jié) ?語

本文在傳統(tǒng)Vivaldi天線基礎(chǔ)上，設(shè)計超寬帶低剖面端射Half?Vivaldi天線孔徑。仿真優(yōu)化了天線孔徑的相關(guān)參數(shù)，驗證了Half?Vivaldi天線孔徑優(yōu)異的輻射性能。本文的研究對于超寬帶低剖面端射天線設(shè)計具有重要的借鑒作用。

圖5 ?仿真的[xOz]面方向圖

圖6 ?仿真的[xOy]面方向圖

參考文獻

[1] ELDEK A A， HEFNAWI F E. Analysis of the effect of high?dielectric substrate size on the directivity of an end?fire antenna [J]. Microwave and optical technology letters， 2011， 53（9）： 2127?2132.

[2] BOURQUI J， OKONIEWSKI M， FEAR E C. Balanced antipodal Vivaldi antenna with dielectric director for near?field microwave imaging [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2010， 58（7）： 2318?2326.

[3] YNGVESSON K S. End?fire tapered slot antennas on dielectric substrates [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 1985， 33（12）： 1392?1400.

[4] 劉紅喜，高軍，李思佳，等.Y形縫隙加載小型化超寬帶Vivaldi端射天線[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，16（2）：73?77.

LIU Hongxi， GAO Jun， LI Sijia， et al. Y?shaped aperture loaded miniaturized ultra?wideband Vivaldi end?fire antenna [J]. Journal of Air Force Engineering University （Natural science edition）， 2015， 16（3）： 73?77.

[5] BAI Jian， SHI Shouyuan， PRATHER D W. Modified compact antipodal Vivaldi antenna for 4～50 GHz UWB application [J]. IEEE transactions on microwave theory and technology， 2011， 59（4）： 1051?1057.

[6] 劉紅喜，高軍，曹祥玉，等.一種基于開口諧振環(huán)的高增益端射天線設(shè)計[J].物理學(xué)報，2015，64（23）：1?10.

LIU Hongxi， GAO Jun， CAO Xiangyu， et al. A design of high?gain end?fire antenna based on split?ring resonator structures [J]. Acta physical sinica， 2015， 64（23）： 1?10.

[7] WANG Y W， WANG G M， ZONG B F. Directivity improvement of Vivaldi antenna using double?slot structure [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2013， 12： 1380?1383.

[8] Wang Y W， Wang G M， Yu Z W， et al. Ultra?wideband E?plane monopulse antenna using Vivaldi antenna [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2014， 62（10）： 4961?4969.

[9] KOTA K， SHAFAI L. Gain and radiation pattern enhancement of balanced antipodal Vivaldi antenna [J]. Electronics letters， 2011， 47（5）： 303?304.