一種超寬帶高增益對(duì)踵Vivaldi天線

陳軍 萬發(fā)雨

0 引言

隨著國內(nèi)外無線通信的傳輸速度不斷地提升,微波天線的帶寬和輻射特性都面臨較高的需求．在眾多天線中,Vivaldi天線備受國內(nèi)外專家的青睞,它最早是由Gibson[1]提出的,實(shí)際為一種指數(shù)漸變槽線的平面印刷天線[2]．Hood等[3]基于傳統(tǒng)對(duì)踵Vivaldi天線設(shè)計(jì)了兩種天線,但是這兩種天線的增益均較低,阻抗帶寬只有7.5 GHz．Anu等[4]采用增加樹狀指數(shù)槽線的技術(shù)來提升Vivaldi天線的頻寬和頻段內(nèi)增益,但由于設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,制作難度大．Reddy等[5]通過切割Ω型槽線設(shè)計(jì)了一種陷波型Vivaldi天線,帶寬為8 GHz．Dastranj[6]將天線左右兩端的4個(gè)邊緣直角切圓,進(jìn)而提升天線輻射特性,其帶寬為12 GHz,最高增益為8.4 dB．Teni等[7]在對(duì)踵Vivaldi天線的兩端和前方均增加矩形槽線,從而優(yōu)化低頻帶寬，提高天線的整體帶寬,并在天線輻射方向增加了一個(gè)半圓形介質(zhì)基板以便提升天線增益,最終打造了一種增益高達(dá)8.5 dB的對(duì)踵Vivaldi天線．徐國建等[8]在傳統(tǒng)Vivaldi天線的兩端切割樹杈形槽線,提高5.4 GHz頻點(diǎn)處的增益,但是駐波比小于2的頻段僅3.4～7.6 GHz．岳新東[9]通過在傳統(tǒng)對(duì)踵Vivaldi天線背面加載矩形地板,并延伸介質(zhì)板的寬度,從而提升天線增益,最高增益高達(dá)8 dB,帶寬為9 GHz．柏艷英[10]以對(duì)踵Vivaldi天線為天線單元,通過鏡像法布陣設(shè)計(jì)了一款超寬帶相控陣天線．藺煒[11]在直徑為4 mm的圓形介質(zhì)板上設(shè)計(jì)了一款高增益天線．王軼玨等[12]采用分段線的負(fù)μ傳輸線加工了兩個(gè)寬帶天線．由上述文獻(xiàn)可以看出,近年來大部分Vivaldi天線的帶寬和增益均不高,并且未關(guān)注到E面方向圖的對(duì)稱性和峰值角度偏移問題．

本文對(duì)傳統(tǒng)對(duì)踵Vivaldi天線進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種帶寬3.3～40 GHz的新型超寬帶高增益對(duì)踵Vivaldi天線,該天線介質(zhì)板兩側(cè)采用相同的輻射結(jié)構(gòu),在天線輻射方向添加一塊梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板,將天線正反兩面的表面電流限制在天線輻射方向,既可以矯正E面方向圖的增益峰值偏移角度,也可以提升天線輻射強(qiáng)度．該新型對(duì)踵Vivaldi天線的尺寸為57.5 mm×60.7 mm,在厚度為0.508 mm的Rogers RO4003C介質(zhì)板上制作．實(shí)測結(jié)果顯示,3.3～40 GHz帶寬內(nèi)的駐波比(VSWR)均小于2,倍頻帶寬大于12,增益為1.0～12.6 dB．該天線的E面方向圖對(duì)稱性好,并具有交叉極化比小、易于設(shè)計(jì)、成本低廉等特點(diǎn),在超帶寬、高增益的天線領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值．

1 理論分析

為滿足天線超帶寬、低駐波、高增益的設(shè)計(jì)要求,本文在傳統(tǒng)對(duì)踵Vivaldi天線的基礎(chǔ)做了一些改變,介質(zhì)板兩側(cè)的輻射貼片采用相同結(jié)構(gòu),均由一個(gè)微帶線和兩條指數(shù)型槽線構(gòu)成,從而修正天線E面方向圖不對(duì)稱性,并提高天線增益特性．其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示．介質(zhì)板為介電常數(shù)3.38的Rogers RO4003C板材．該天線易于設(shè)計(jì)、成本低廉,采用50 Ω同軸接頭饋電．

圖1 對(duì)踵型Vivaldi天線Fig.1 The antipodal Vivaldi antenna (antenna 1)

由于對(duì)踵型Vivaldi天線沒有準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式可供參考,本文通過數(shù)學(xué)公式來確定天線的初步尺寸,其內(nèi)外指數(shù)漸變槽線的尺寸通過式(1)和(2)表示為

yi=C1ie(FixiSi)+C2i,

(1)

yo=C1oe(FoxoSo)+C2o,

(2)

式中,xi和yi分別表示內(nèi)指數(shù)漸變線的x坐標(biāo)和y坐標(biāo),xo和yo分別表示為外指數(shù)漸變線的x坐標(biāo)和y坐標(biāo),單位均為mm．C1i,C2i,Fi,Si為內(nèi)指數(shù)漸變槽線表達(dá)式(1)的系數(shù),C1o,C2o,Fo,So為外指數(shù)漸變槽線表達(dá)式(2)的系數(shù),e是自然對(duì)數(shù)底．

2 新型對(duì)踵Vivaldi天線的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高天線輻射特性,本文在天線輻射方向上增加了一塊梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板,增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板可以將表面電流限制在天線的輻射方向,既可以矯正天線E面方向圖的峰值偏移角度,也可以提高天線增益特性．其結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖2 新型對(duì)踵Vivaldi天線Fig.2 The novel antipodal Vivaldi antenna (antenna 2)

采用HFSS軟件對(duì)天線的指數(shù)槽線、梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板和微帶線的進(jìn)行優(yōu)化,確定了整個(gè)天線各參數(shù)的尺寸,如表1所示.

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

采用HFSS軟件分別對(duì)圖1和圖2所示兩種天線的表面電流進(jìn)行仿真研究,得到如圖3所示的天線表面電流分布．由圖3a可知:兩個(gè)天線在10 GHz的電流強(qiáng)度基本相似．由圖3b—3d可知:增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板后,天線在梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板上(區(qū)域O處)的電流強(qiáng)度較大,并且表面電流主要集中在天線輻射方向上,特別是20、30和40 GHz三個(gè)頻點(diǎn),天線輻射方向上的電流非常集中;而未增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板時(shí),區(qū)域O處的表面電流大致是向兩邊擴(kuò)散的．基于圖3所示的天線表面電流分布情況,可以得出:增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板可以將表面電流限制在天線的輻射方向,既可以矯正天線E面方向圖的峰值偏移角度,也可以提高天線的增益特性．

圖3 天線表面電流分布Fig.3 Current distribution on antenna 1 (left) and antenna 2 (right) surface

分別對(duì)圖1和圖2所示兩個(gè)天線進(jìn)行駐波比(VSWR)和增益(Gain)仿真研究,得到的VSWR仿真結(jié)果如圖4所示．由圖4可以發(fā)現(xiàn),兩種天線的駐波仿真結(jié)果在2～40 GHz頻段內(nèi)基本一致．圖5為這兩個(gè)天線的Gain仿真結(jié)果．由圖5可以發(fā)現(xiàn),增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板后,該天線在20～40 GHz頻段內(nèi)的輻射增益有所提升,尤其是在40 GHz時(shí)增益值提升了約6 dB,這是增加梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板,將天線表面電流限制在輻射方向所致．

圖4 駐波比仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the simulated VSWR results

圖5 增益仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the simulated gain results

3 新型對(duì)踵Vivaldi天線的實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)踵Vivaldi天線在厚度為0.508 mm的Rogers RO4003C板材上進(jìn)行實(shí)物加工,天線的實(shí)物照片如圖6所示,通過50 Ω的SMA同軸接頭饋電．

圖6 天線實(shí)物圖Fig.6 Picture of the antenna

采用網(wǎng)絡(luò)分析儀完成該對(duì)踵Vivaldi天線的VSWR測量,得到2～40 GHz頻率范圍內(nèi)的VSWR實(shí)測值和仿真值對(duì)比如圖7所示．由圖7可以發(fā)現(xiàn),天線在3.3～40 GHz頻段內(nèi)的VSWR小于2,VSWR實(shí)測值和仿真值大致相符,但是10 GHz以上的VSWE實(shí)測值略高于仿真值,這是因?yàn)楦哳l段對(duì)天線加工偏差比較敏感導(dǎo)致的．同時(shí)基于圖7可以發(fā)現(xiàn):該天線帶寬可以擴(kuò)展到40 GHz以上的頻段．

圖7 VSWR仿真與實(shí)測對(duì)比Fig.7 Comparison between measured and simulated VSWR

在微波暗室中完成天線增益和方向圖的測試,天線增益的實(shí)測值和仿真值如圖8所示.從圖8可以發(fā)現(xiàn):2～40 GHz頻率范圍內(nèi)的增益實(shí)測值為1～12.6 dB,在頻點(diǎn)25 GHz處的增益達(dá)到最大,為12.6 dB．由于介質(zhì)板以及SMA同軸接頭在高頻段的損耗較大,因此高頻段增益的實(shí)測值略遜于仿真值, 但是整體的變化趨勢是大致相似的．

圖8 增益仿真與實(shí)測對(duì)比Fig.8 Comparison between measured and simulated gains

該天線在10、20、30和40 GHz四個(gè)頻點(diǎn)的E面方向圖如圖9所示,兩種天線的E面方向圖電磁參數(shù)比較結(jié)果如表2所示,表中天線1為新型對(duì)踵Vivaldi天線,天線2為未加載梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板的對(duì)踵Vivaldi天線．明顯可以看出,天線1的E面方向圖比較對(duì)稱,而且輻射特性較好,四個(gè)頻點(diǎn)的交叉極化比均小于-10 dB．并且天線1的E面方向圖的峰值偏移角度較小,尤其是30～40 GHz高頻段的偏移角度得到較好的矯正,幾乎是零度．由圖9可以看出,方向圖仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果存在差異,主要是加工誤差、介質(zhì)板的高頻插損所致．由表2明顯可以看出,新型對(duì)踵Vivaldi天線具有更好的方向性和更高的增益．

圖9 天線的E面方向圖Fig.9 Radiation patterns of the antenna at E-plane

表2 兩種天線的電磁參數(shù)特性

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種帶寬3.3～40 GHz新型超寬帶高增益Vivaldi天線,采用對(duì)踵型結(jié)構(gòu),該天線介質(zhì)板兩側(cè)采用相同的輻射結(jié)構(gòu),在天線輻射方向添加一塊梯形結(jié)構(gòu)介質(zhì)板,將天線正反兩面的表面電流限制在天線輻射方向,既可以矯正E面方向圖的增益峰值偏移角度,也可以提升天線輻射強(qiáng)度．該新型對(duì)踵Vivaldi天線的尺寸為57.5 mm×60.7 mm,在厚度為0.508 mm的Rogers RO4003C介質(zhì)板上制作．實(shí)測結(jié)果顯示,3.3～40 GHz帶寬內(nèi)的VSWR均比小于2,倍頻帶寬大于12,增益為1.0～12.6 dB．該天線的E面方向圖對(duì)稱性好,具有交叉極化比小、易于設(shè)計(jì)、成本低廉等特點(diǎn),在超帶寬、高增益的天線領(lǐng)域有較高應(yīng)用價(jià)值．