改進(jìn)型Vivaldi天線

李鶴言，李 萍，蔣旭東

(1.武警工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，陜西西安 710086;2.武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086)

通過(guò)改變印刷天線的形式降低UHF天線尺寸已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。作為漸變槽線天線中的代表性類(lèi)型，1979年由 P.J.Gibson提出指數(shù)漸變槽線天線(Vivaldi)具有寬頻帶、高增益、波束對(duì)稱(chēng)和容易集成等特點(diǎn)[1]。通過(guò)在傳統(tǒng)Vivaldi天線的輻射區(qū)加載柵欄，改變了天線表面電流分布，提高了天線特性。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真分析

常規(guī)Vivaldi天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，為介質(zhì)基板雙面印刷天線。介質(zhì)基板正面為帶指數(shù)漸變槽線、等寬度槽線和圓形諧振腔的金屬層，如圖中實(shí)線部分;背面為微帶饋線和扇形微帶短截線組成的饋電結(jié)構(gòu)，如圖中虛線部分[2]。

一般地說(shuō)，工作頻帶的低頻段介質(zhì)波長(zhǎng)，是對(duì)應(yīng)槽線寬端最大寬度的2倍;而天線工作頻帶的高頻段則受到槽線窄端寬度的限制，窄端寬度一般為最高頻率波長(zhǎng)的0.02倍。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)制作中，由于需要考慮介質(zhì)基板、天線尺寸大小等因素，槽線寬端可取低頻端頻率的介質(zhì)波長(zhǎng)1/6，槽線長(zhǎng)約為1個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)，并能得到較好的天線特性。

圖1 Vivaldi天線結(jié)構(gòu)圖

確定了槽線的兩端寬度H、WSL和長(zhǎng)度L后，選取坐標(biāo)原點(diǎn)，建立合適的坐標(biāo)系，就可得出圖1中P1(x1，y1)和P2(x2，y2)兩點(diǎn)的坐標(biāo)值。再由式(1)可推導(dǎo)出漸變指數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，參數(shù)c1和c2通過(guò)式(2)和式(3)推出。

其中，R為指數(shù)函數(shù)的漸變率，決定天線的波束寬度，R的取值一般＜1。

選取介質(zhì)基板材料FR4_epoxy，長(zhǎng)為360 mm，寬為320 mm，厚度為2 mm。通過(guò)仿真優(yōu)化，確定槽線的寬端開(kāi)口H約為68.5 mm，槽線窄端開(kāi)口WSL為1.4 mm，槽線漸變率 R 取0.015[3-5]。

由于金屬貼片表面的電流較為分散，為將其更好地約束到漸變槽線附近，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的方法，在不改變?cè)O(shè)計(jì)尺寸的前提下，在天線金屬貼片兩側(cè)開(kāi)上多條幾何對(duì)稱(chēng)柵欄，增強(qiáng)金屬槽線的輻射特性，如圖2所示。利用Ansoft HFSS11仿真，將掃頻范圍劃分為若干區(qū)間，確保數(shù)值色散誤差值降到最小。圖3和表1為結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后天線駐波與增益的對(duì)比圖，可以看出天線的輻射特性得到顯著改善[6]。

表1 加載柵欄前后天線的輻射特性比較

雖然采用在天線金屬貼片兩側(cè)開(kāi)上多條對(duì)稱(chēng)幾何柵欄的方法一定程度上改善了天線的輻射性能，但通過(guò)研究天線E面和H面輻射方向圖，發(fā)現(xiàn)天線的尾瓣較大?？偨Y(jié)上述改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)天線結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)，以減小后向輻射的尾瓣，進(jìn)而提高天線的前向輻射性能。改進(jìn)后天線的模型與實(shí)物如圖4所示。天線兩次改進(jìn)后遠(yuǎn)場(chǎng)E面和H面輻射方向圖對(duì)比如圖5所示[7]。

2 實(shí)測(cè)與分析

根據(jù)天線仿真確定數(shù)據(jù)尺寸大小，并加工制作了指數(shù)漸變槽線天線實(shí)物。測(cè)試使用 Agilent公司E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)頭型號(hào)8052D。測(cè)試范圍200～1 300 MHz，從圖6中可以看出天線的整體變化趨勢(shì)相近，實(shí)測(cè)駐波好于仿真結(jié)果，整體上天線實(shí)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出較好的寬頻帶特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Ansoft HFSS 11仿真軟件建立天線模型并進(jìn)行仿真分析，提出了在天線兩側(cè)開(kāi)柵欄和尾部加抗流柵欄的優(yōu)化方法，明顯改善了天線的電性能參數(shù)。實(shí)際加工制作了一副天線，測(cè)量結(jié)果表明，該天線克服了常規(guī)Vivaldi天線的不足，具有較寬的頻帶和穩(wěn)定的增益。

[1]GIBSON P J.The vivaldi aerial[C].Brighton，UK:Proceedings of the 9th European Microwave Conference，1979:101-105.

[2]LIM T G.，ANG H N，ROBERTSON I D，et al.Tapered slot antenna using photonic bandgap structure to reduce substrate effects [J].Electronics Letters，2005，41(7):393-394.

[3]邊莉，趙曉妍.微帶線-槽線饋電的Vivaldi天線參數(shù)分析[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18(3):202-205.

[4]林強(qiáng)，張祖蔭，張兵.微帶巴倫設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(10):61-64.

[5]邊莉，呂中志，金博識(shí)，等.關(guān)于Vivald超寬帶天線設(shè)計(jì)方案的研究[J].移動(dòng)通信，2008(6):80-83.

[6]PARFITT A，GRIFFIN D，COLE P.Mutual coupling between metal strip antennas on finite size，electrically thick dielectric substrates [J].IEEE Trans.On Ant.Prop，1993，41(9):108-115.

[7]陳雅娟，龍?jiān)屏?寬帶微帶貼片天線的研究進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1999(3):257-361.