具有陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶Vivaldi天線設(shè)計

李勇,唐智靈

(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007；2.西南物理研究院，四川 成都 610041；3.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

超寬帶天線一般是指天線的相對帶寬達到25%以上，相對帶寬定義為有效工作的頻帶寬度值與天線工作的中心頻率的比。超寬帶天線直接促進了高速移動通信技術(shù)的發(fā)展，主要應(yīng)用在軍用雷達、商業(yè)通信以及無線電監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。衡量超寬帶天線的主要技術(shù)指標(biāo)是相對帶寬與增益，Vivaldi天線是常見的一種超寬帶天線[2]。

目前對Vivaldi天線進行研究與改進的工作主要有以下幾種：通過微帶線-共面帶狀線巴倫饋電設(shè)計Vivaldi天線，天線工作的頻率在2.5 ～3 GHz間，天線的最大增益約為4.5 dBi[3]，雖然設(shè)計簡潔，但是帶寬較小；加載三角形引向器設(shè)計的Vivaldi天線覆蓋頻帶為3 ～11 GHz，除了個別頻點出現(xiàn)脈沖式增益外，其他頻點增益在0 ～ 4 dBi間[4]，總體而言，增益不高；加載吸波材料可拓寬頻帶為0.95 ～ 15.5 GHz，增益>6 dB[1]；通過加載折射率為0的復(fù)合方形環(huán)超材料，使得Vivaldi天線覆蓋頻帶為13 ～60 GHz，天線增益<5 dB[5]，帶寬較大，但增益略??；在天線輻射前端加載對拓結(jié)構(gòu)的介質(zhì)和過孔矯正的Vivaldi天線，其頻帶為4 ～16 GHz，天線最大增益接近10 dB[6]，帶寬與增益都較好，只是陷波頻點較少，隔離度不夠；利用傅里葉級數(shù)將Vivaldi天線的槽線形狀改變?yōu)椴灰?guī)則曲線，雖然阻抗帶寬覆蓋了2.1 ～ 9.2 GHz，但在4.5 ～ 6.5 GHz頻段內(nèi)增益較低，而且不平穩(wěn)[7]；一種加載“Y”型縫隙與開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線在1.2 ～14 GHz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)了5.125 ～5.825 GHz頻帶的陷波，陷波頻點較少，低頻帶增益在4 dB以上，高頻帶增益最大為13 dB[8]；新型葉狀Vivaldi天線工作頻帶為0.7 ～3 GHz，增益最大為8 dB[9]；一種雙指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)的超寬帶Vivaldi天線，其工作頻帶為2 ～18 GHz，增益最大為10.5 dB[10]，不過陷波頻點較少，隔離度不足；在Vivaldi雙面天線單元的槽線周圍布滿金屬化孔，頻帶寬度2 ～8 GHz，加入寬帶引向振子提高增益，最大增益為10.42 dB[11]，但是增大了天線總體尺寸。

本文在典型的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過在指數(shù)漸變槽線的最大開口處加載1個梯形輻射片，間接構(gòu)成三角形縫隙，從而在2.8 ～11.7 GHz頻帶內(nèi)產(chǎn)生6個陷波頻點，將天線的各個工作頻點相互隔離，避免頻間串?dāng)_，而且保障了天線的增益在5.11 dB以上。

1 Vivaldi天線結(jié)構(gòu)分析

典型的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)與尺寸計算方法為[12-13]：介質(zhì)基板的上表面由指數(shù)漸變槽線、矩形槽線和圓形開路腔體圍成縫隙結(jié)構(gòu)，下表面是饋電微帶線，其末端漸變成為一個扇形結(jié)構(gòu)，微帶線和矩形槽線形成微帶線/槽線耦合饋電結(jié)構(gòu)。天線的指數(shù)線漸變槽線模型公式為

y=±(c1eRx+c2)，

(1)

式中：

c1=(y2-y1)/(eRx2-eRx1)；

(2)

c2=(y1eRx2-y2eRx1)/(eRx2-eRx1)。

(3)

取指數(shù)漸變槽線始、末端2個點的坐標(biāo)P1(x1，y1)和P2(x2，y2)，由于開口寬度分別由所設(shè)計的工作頻段的高、低截止頻率決定，通常取低截止頻率所對應(yīng)介質(zhì)波長的1.3倍左右作為最寬開口尺寸，則其二分之一值為x2；高截止頻率所對應(yīng)工作波長的2%左右作為最窄開口尺寸，則其二分之一值為x1。設(shè)定天線的總長為Ltotal，總寬為Wtotal，指數(shù)漸變率為R，指數(shù)漸變槽線長度為L，且起始點距離介質(zhì)板邊緣為L0，則可以確定坐標(biāo)y1,y2的值，于是可由式(2)～(3)確定常數(shù)c1,c2。矩形槽線寬度W的確定方法如下。

先按照式(4)確定耦合因子N,

N=cos(2πud/λ0)-cotqsin(2πud/λ0)， (4)

式中：d為介質(zhì)基板高度；λ0為自由空間波長；q由式(5)確定，

q=2πud/λ0+arctan(u/v)，

(5)

u,v由式(6)～(7)確定，

(6)

(7)

εr為相對介電常數(shù)，λs為槽線內(nèi)介質(zhì)波長。由于饋電微帶線特征阻抗z一般取值為50 Ω，則槽線特征阻抗Zt為

Zt=Z/N2，

(8)

最后由式(9)～(12)確定矩形槽線寬度W。

Zt=Zt1+Zt2+Zt3，

(9)

其中：

Zt1=60+3.69sin[(εr-2.22)π/2.36]+

(10)

Zt2=2.81[1-0.011εr(4.48+

lnεr)](w/d)ln(100d/λ0)，

(11)

本文設(shè)計的Vivaldi天線上、下表面結(jié)構(gòu)完全一致，如圖1所示，在典型結(jié)構(gòu)的指數(shù)線漸變槽線的最寬開口處加載了1個梯形輻射片，其腰線為指數(shù)漸變曲線。選用相對介電常數(shù)為3.0的FR4介質(zhì)基板，高1 mm，損耗正切角是0.002。采用Antenna DesignKit大致計算出天線的尺寸，同時經(jīng)過三維電磁仿真軟件HFSS15.0進行優(yōu)化仿真，最終確定尺寸如表1所示。

圖1 天線的上表面與下表面結(jié)構(gòu)

表1 天線尺寸

2 饋電結(jié)構(gòu)

由于天線的上、下表面結(jié)構(gòu)完全一致，而且均作為輻射面，因此采用波端口激勵，饋電方式采用電磁耦合方式，即把饋電的微帶線置于上、下表面之間的中間層，同時給上、下表面的輻射片饋送電信號，微帶饋線結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。該微帶饋線與圖1中的正方形腔體及矩形槽線共同實現(xiàn)了輸入阻抗的匹配，輸入阻抗的匹配度主要是和微帶饋線的寬度有關(guān)，天線的輸入阻抗一般為50 Ω，通過HFSS軟件優(yōu)化微帶饋線的尺寸，最終選取Wstrip=0.647 3 mm和Wstrip=0.747 3 mm兩個尺寸所對應(yīng)的史密斯阻抗圓圖進行比較，如圖3所示。可以看出，當(dāng)Wstrip=0.647 3時，其阻抗圓圖曲線距離理想的歸一化阻抗值(1+0i)較接近，其電抗部分對天線的影響較小。最終確定的微帶饋線尺寸為Wstrip=0.647 3 mm，Lst1=5.41 mm，Lst2=5 mm。

圖2 微帶饋線

圖3 史密斯阻抗圓圖

3 加載技術(shù)實現(xiàn)陷波

根據(jù)輻射單元電荷分布特點可知：電荷主要聚集在輻射片的兩側(cè)邊緣和其他縫隙區(qū)域，開鑿了縫隙的天線在某些頻點與原天線產(chǎn)生的輻射場反相相消，形成帶阻特性，對應(yīng)的頻點就是陷波頻點，而陷波頻點一般會伴隨諧振頻點的產(chǎn)生；同時，根據(jù)微波電路原理，開鑿的縫隙相當(dāng)于把天線等效為若干個RLC諧振支路，對應(yīng)的諧振頻點就會產(chǎn)生有效輻射能量[13-15]。由此可知，陷波頻點與諧振頻點共同實現(xiàn)了頻段的隔離，有效抑制了工作頻點之間的相互串?dāng)_。

本研究并沒有在天線上開鑿縫隙，而是在典型Vivaldi天線的最大開口處加載1個梯形輻射貼片，其腰線為指數(shù)漸變曲線，對應(yīng)方程為

y=6×exp((95.14-x)×0.177),

x∈(95.148 5)，(13)

加載的梯形輻射片與槽線間接構(gòu)成三角形縫隙，既能實現(xiàn)多個頻點的陷波，又保障了諧振頻點的較高增益。通過HFSS軟件進行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。虛線圖例orig代表沒有加載輻射片的典型Vivaldi天線所對應(yīng)的回波損耗曲線，回波損耗值<-10 dB的帶寬是2.3 ～10 GHz，該頻帶內(nèi)各個頻點沒有隔離；實線圖例xianbo代表加載了輻射片的Vivaldi天線所對應(yīng)的回波損耗曲線，回波損耗值<-10dB的頻帶帶寬是2.8 ～11.7 GHz，相對帶寬為123%，該頻帶內(nèi)有6個陷波頻點mj(j=2，4，6，8，10，12)，相應(yīng)產(chǎn)生了6個諧振頻點mk(k=1，3，5，7，9，11)，各個工作頻點相互隔離，避免了通信串?dāng)_。

圖4 回波損耗曲線

圖5 增益方向圖

增益也是衡量天線性能的一個重要指標(biāo)，由于加載的梯形貼片位于指數(shù)漸變槽線的時變電磁場中，那么梯形貼片也會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而對Vivaldi天線的增益方向圖產(chǎn)生影響，圖5便是加載了輻射片的Vivaldi天線所對應(yīng)的增益方向圖：圖5(a)是較低的3個諧振頻點對應(yīng)的增益方向圖，最大增益值9.46 dB，最小增益值5.11 dB；圖5(b)是較高的3個諧振頻點對應(yīng)的增益方向圖，最大增益值9.94 dB，最小增益值9.17 dB。

本文設(shè)計的Vivaldi天線與其他具有陷波結(jié)構(gòu)的文獻進行比較，對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)仿真結(jié)果如表2所示。

4 結(jié) 語

為了避免頻間串?dāng)_，最簡單的辦法就是在天線前端加入濾波器，但這樣做使天線結(jié)構(gòu)過于龐大和復(fù)雜，本文通過加載1個梯形輻射片，間接構(gòu)成三角形縫隙，產(chǎn)生了6個陷波頻點，將2.8 ～11.7 GHz的頻帶分割為6個頻帶，該超寬帶天線也具有較高的增益，可應(yīng)用于無線電監(jiān)測以及多頻通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。

表2 技術(shù)指標(biāo)比較