一種3D拱形高增益超寬帶Vivaldi天線

王麗黎， 劉 慶

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048)

近年來無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，使天線在社會(huì)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，各領(lǐng)域的種種需求也要求天線擁有更大的帶寬和更高的速率。于是，在現(xiàn)有的窄帶天線和單頻帶天線的基礎(chǔ)上，提出了超寬帶天線[1-2]的設(shè)計(jì)理念，為天線的發(fā)展提出了新的研究熱點(diǎn)。超寬帶天線具有頻帶覆蓋廣、制造成本低、抗干擾能力強(qiáng)[3]、傳輸效率高、體積小等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)如今無線通信迅速發(fā)展的環(huán)境下，應(yīng)用于超寬帶領(lǐng)域的天線，不僅需要擁有較高的增益，而且需要滿足低成本、小尺寸、低損耗等特點(diǎn)。而Vivaldi天線作為一種高性能、小型化的超寬帶天線，具有較寬的帶寬和良好的輻射性能[4]，且符合現(xiàn)代通信設(shè)備追求的小型化、輕量化等特點(diǎn)。因此，Vivaldi天線在超寬帶領(lǐng)域具有廣泛的研究?jī)r(jià)值，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

Vivaldi天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、效率高、增益高而成為相控陣?yán)走_(dá)、超寬帶成像等寬帶應(yīng)用領(lǐng)域的首選[5]。1979年，Gibson最早提出了使用指數(shù)漸變曲線的錐削槽天線，被稱為傳統(tǒng)Vivaldi天線，屬于漸變式、非周期、端射行波天線，通過指數(shù)漸變縫隙結(jié)構(gòu)使電磁波從較窄的縫隙端向較寬的開口端輻射。為了提高天線的性能，通常采用在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加載超材料[6]、引入縫隙結(jié)構(gòu)[7]、加載介電透鏡[8]等方式。文獻(xiàn)[7]通過引入開槽設(shè)計(jì)和三角形引向器使2～4 GHz的增益最高達(dá)到6.7 dBi。文獻(xiàn)[9]提出了混合式Vivaldi喇叭天線，通過在Vivaldi天線的外部圍繞喇叭天線以提高了高頻段增益。文獻(xiàn)[10]提出了一種在接地層加載圓弧形反射器的對(duì)極型Vivaldi天線，最終得到的天線最高增益為5.6 dBi。上述文獻(xiàn)在一定范圍內(nèi)提高了天線的增益，但是隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展，要求天線具有更高的增益和更優(yōu)異的性能，因此迫切需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

通過以上研究，本文提出了一種3D拱形Vivaldi天線，在3.7～14 GHz的寬頻帶中表現(xiàn)出了良好的輻射特性，峰值增益達(dá)到了10 dBi，平均效率也達(dá)到了95.2%。與文獻(xiàn)[7]和[10]相比，它具有更寬的相對(duì)帶寬和更高的增益，在通信系統(tǒng)和集成電路中具有重要的價(jià)值，尤其是在微波成像系統(tǒng)有更廣泛的應(yīng)用[11]。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 Vivaldi天線的基本結(jié)構(gòu)

Vivaldi天線是一種具有弧線形槽線輪廓的縫隙結(jié)構(gòu)天線，傳統(tǒng)的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，圖1中黃色部分為金屬層，藍(lán)色部分為介質(zhì)基板。

該天線是將金屬層覆蓋在介質(zhì)板的兩面，其中正面作為金屬接地板，見圖1(a)，在金屬接地板上蝕刻出由圓形槽線開路腔、矩形槽線和指數(shù)漸變槽線三部分依次組成的金屬縫隙結(jié)構(gòu)。其中，圓形槽線開路腔用于阻抗匹配，矩形槽線與微帶線相互耦合，使電磁波由圓形槽線開路腔沿著矩形槽線傳播至指數(shù)漸變槽線，并由指數(shù)漸變槽線逐漸輻射至自由空間。反面作為饋電部分，Vivaldi天線的饋電方式一般分為同軸線-槽線饋電、共面波導(dǎo)-槽線饋電和微帶線槽線饋電，一般采用易于加工的微帶線-槽線饋電，見圖1(b)，電磁波通過微帶線耦合到天線正面的輻射貼片[7]。

天線處于工作狀態(tài)時(shí)，電磁波通過微帶線耦合到正面金屬層的矩形槽線之間，并沿著漸變指數(shù)槽線傳輸并耦合輻射至自由空間。在電磁波傳輸過程中，當(dāng)指數(shù)槽線開口較小時(shí)，電磁波的能量被束縛在天線的金屬貼片之間，此時(shí)輻射較弱。當(dāng)電流順著指數(shù)曲線槽線傳輸至開口較大位置時(shí)，金屬貼片對(duì)電場(chǎng)的束縛能力逐漸減小，使電場(chǎng)信號(hào)在開口處向自由空間輻射。所以，天線的指數(shù)漸變槽線的最小距離決定天線的最高工作頻率，而槽線的最大開口距離限制天線的最低工作頻率。

1.2 天線尺寸計(jì)算

Vivaldi天線的長(zhǎng)度L、寬度W和指數(shù)漸變線y的尺寸通過式(1)～(5)給出。

Vivaldi天線的長(zhǎng)度L應(yīng)大于波長(zhǎng)λ的一半:

(1)

式中：λ為最大工作波長(zhǎng)。

天線的寬度W應(yīng)大于波長(zhǎng)λ的四分之一：

(2)

Vivaldi天線的槽線屬于指數(shù)漸變線，這種指數(shù)型槽線使Vivaldi天線比普通的槽線天線擁有更寬的帶寬，圖1中P1(x1,y1)為槽線的起點(diǎn)，P2(x2,y2)為槽線的終點(diǎn)，指數(shù)漸變槽線可以表示為：

y=C1eKx+C2

(3)

式中：K為指數(shù)曲線的增長(zhǎng)率；C1、C2為常數(shù)，可用下式表示：

(4)

(5)

1.3 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)見圖2(a)，圖中藍(lán)色部分為介質(zhì)基板，黃色為金屬部分。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.2、厚度為0.78 mm的Taconic TLY-5材料，金屬部分是厚度為0.017 5 mm的銅箔。該天線主要包括彎曲部分、垂直部分和水平部分。圖2(b)和(c)分別示出了該結(jié)構(gòu)的前視圖和側(cè)視圖，從圖2(b)可以看出，天線的垂直及彎曲部分的內(nèi)邊緣為弧形輻射臂，它們由指數(shù)漸變槽線f(x)組成，指數(shù)漸變槽線滿足式(3)的要求。圖2(c)中的半圓彎曲部分是由兩端的輻射臂向內(nèi)彎曲為四分之一圓弧構(gòu)成，因而形成拱形結(jié)構(gòu)。圖2(d)和(e)分別示出了水平部分的頂視圖和后視圖。如圖2(e)所示，安裝在水平部分的微帶饋線采用漸變微帶線以更好的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

Vivaldi天線的輻射方向是沿著指數(shù)槽線向外輻射，對(duì)于饋電部分，電流主要集中在微帶線和圓形開路腔附近，對(duì)于指數(shù)漸變槽線部分，電流主要集中在指數(shù)漸變槽線邊緣。

本文所設(shè)計(jì)的天線，存在左右兩部分向內(nèi)彎曲的輻射臂，電磁波通過左右兩個(gè)微帶線與圓形開路腔進(jìn)行阻抗匹配，并分別向左右兩端的矩形槽線耦合饋電，天線在水平部分被饋電，電磁波沿著垂直部分和向內(nèi)彎曲部分的指數(shù)漸變槽線傳輸同時(shí)耦合輻射至自由空間。對(duì)于水平部分，電流主要集中在兩個(gè)微帶線及圓形開路腔附近，對(duì)于垂直及向內(nèi)彎曲的輻射臂部分，電流主要集中在指數(shù)漸變槽線邊緣，垂直及向內(nèi)彎曲的輻射臂改變了Vivaldi天線原本的輻射方向，使天線從彎曲的輻射臂之間輻射出行波，進(jìn)而提高了天線的增益。

1.4 參數(shù)優(yōu)化

為了在上述設(shè)計(jì)中獲得最佳的天線性能，分別對(duì)天線的水平部分長(zhǎng)度L1、垂直部分長(zhǎng)度L2和彎曲部分長(zhǎng)度L3進(jìn)行了仿真優(yōu)化。討論這些參數(shù)的不同取值對(duì)增益的影響，在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)，其他參數(shù)為固定值。

圖3(a)顯示了當(dāng)L2=43 mm，L3=23.5 mm時(shí)，天線的水平部分長(zhǎng)度L1對(duì)天線增益的影響。從圖3(a)可以看出，當(dāng)L1=33.6 mm時(shí)，低頻段的增益太低；當(dāng)L1=37.6 mm時(shí)，中高頻段的增益較低；當(dāng)L1=35.6 mm時(shí)，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的增益，因而選取天線的水平部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=35.6 mm。

圖3(b)顯示了當(dāng)L1=35.6 mm，L3=23.5 mm時(shí)，天線的垂直部分長(zhǎng)度L2對(duì)天線增益的影響。從圖3(b)可以看出，當(dāng)L2=41 mm時(shí)，低頻段的增益較低；當(dāng)L2=45 mm時(shí)，中高頻段的增益較低。因此，考慮到天線的尺寸及增益大小，因而選取天線的垂直部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)2=43 mm。

圖3(c)顯示了當(dāng)L1=35.6 mm，L2=43 mm時(shí)，天線的彎曲部分長(zhǎng)度L3對(duì)天線增益的影響。從圖3(c)可以看出，低頻時(shí)，L3尺寸的改變對(duì)天線增益的影響較小；中高頻段時(shí)，隨著L3尺寸的增大，增益也逐漸增大， 因而選取天線的彎曲部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)3=23.5 mm。

根據(jù)以上的參數(shù)研究，最終得出天線優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù)值，見表1。

表1 設(shè)計(jì)的天線尺寸

2 天線的仿真結(jié)果與分析

2.1 S參數(shù)

見圖4所示，利用CST軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真分析，得到天線的S11與頻率的關(guān)系圖，從圖中可以看出，在3.7～14 GHz之間，天線的S11均在-10 dB以下。

2.2 增益和輻射效率

仿真分析了天線的增益與輻射效率，見圖5，圖5中黑色線代表增益，紅色線代表輻射效率。在天線仿真設(shè)計(jì)過程中，通過調(diào)整天線的水平部分矩形槽的長(zhǎng)度、寬度以及天線垂直部分和彎曲部分的長(zhǎng)度，有效改善了天線的增益。從圖5可以看出，最終所設(shè)計(jì)的天線增益的峰值可以達(dá)到10 dBi，平均效率達(dá)到了95.2%。為了解釋圖5中增益抖動(dòng)的規(guī)律，給出了天線在5 GHz、6 GHz、7 GHz、9 GHz頻率處的電流分布圖，見圖6。從圖6中可以看出，在6 GHz和7 GHz處諧振產(chǎn)生了更多X方向的電流，由于所設(shè)計(jì)天線的主極化方向沿Y方向，使得天線輻射的電磁能量很大程度減小，所以這些頻點(diǎn)處增益較低。相反，在5 GHz和9 GHz處諧振產(chǎn)生了更多Y方向的電流，兩者相互疊加，使得這些頻點(diǎn)處增益增大。

2.3 輻射方向圖

圖7為天線在5 GHz、6 GHz、7 GHz和9 GHz的E面和H面歸一化輻射方向圖，從圖7中可以看出，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)存在兩個(gè)主輻射方向。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的天線是由兩個(gè)Vivaldi天線組合而成，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)輻射方向沿著左右兩側(cè)的指數(shù)曲線輻射臂進(jìn)行輻射，因而存在左右兩個(gè)主輻射方向。Vivaldi天線因其特殊的指數(shù)曲線結(jié)構(gòu)，高頻時(shí)，輻射位置靠近槽線起始端，低頻時(shí)，輻射位置靠近槽線末端，而本文所設(shè)計(jì)的天線是向內(nèi)彎曲結(jié)構(gòu)，因而在不同頻段時(shí)，主輻射方向角度稍有不同。為了突出本文設(shè)計(jì)的天線的新穎性，表2中顯示了本文設(shè)計(jì)的天線與近幾年文獻(xiàn)中類似結(jié)構(gòu)主要性能的比較。可以看出，本文設(shè)計(jì)的天線具有良好的增益。

表2 與其他天線的參數(shù)比較

3 結(jié) 論

本文提出了一種3D拱形超寬帶Vivaldi天線，最高增益可達(dá)10 dBi，平均輻射效率達(dá)到95.2%，性能良好。所提出的天線可工作在C波段、X波段和部分Ku波段，適用于微波成像及雙邊方向的基站。