應用于數字電視系統的雙極化Vivaldi天線

康曉樂，陳隆耀，李增瑞

(1.中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024；2.江西省通信管理局，南昌 330000)

應用于數字電視系統的雙極化Vivaldi天線

康曉樂1，陳隆耀2，李增瑞1

(1.中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024；2.江西省通信管理局，南昌 330000)

本文提出了一種具有高端口隔離度的雙極化正交Vivaldi天線。在沒有電流接觸的情況下，以十字形交叉的形式將兩個Vivaldi天線正交放置來實現雙極化天線結構。為了滿足低端帶寬要求，同時改善低頻輻射特性，提出了一種新穎的指數漸變槽邊緣(ETSE)結構。兩條微帶饋線用于實現每個極化端口的獨立饋電。測試結果與仿真結果吻合良好。所提出的天線實現了-10dB的回波損耗帶寬為470-794MHz，并且在正交方向上顯示了穩定的輻射性能。測試顯示兩個極化之間的隔離度優于25dB，并且在工作頻帶上的增益在1.57至7.18dBi之間。所提出的天線可以用于數字電視(DTV)系統。

雙極化Vivaldi天線；指數漸變槽邊緣；數字電視應用

1 引言

DTV廣播在過去幾年中引起了全世界的關注[1]。與現代移動通信系統相比，DTV在多徑環境中同樣面臨著信號衰落問題。這個現象可以通過應用極化分集來改進。

由于結構簡單，重量輕，頻帶寬，高效率和高增益，在1979年由Gibson設計的Vivaldi天線已被廣泛使用[2]。Vivaldi天線可以組合為十字形雙極化天線[3-4]，用于超寬帶系統。然而，兩個天線的電長度大于本文提出的天線。波紋邊緣結構的提出[5]，在不惡化輻射特性的前提下減小了天線尺寸。與常規槽邊緣(RSE)相比，漸變槽邊緣結構(TSE)的提出[6]可以依托天線內部漸變結構的形狀，從而更好的利用貼片面積。然而，文中并沒有給出漸變槽的具體參數。

本文設計和制作了應用于DTV系統的雙極化Vivaldi天線。采用指數漸變槽邊緣(ETSE)結構來擴展低頻帶寬并改善較低頻率的輻射特性。另外，將四分之一阻抗變換器引入微帶饋電結構中，以實現阻抗匹配。所提出天線由|S11|≤10dB定義的回波損耗帶寬為470至794 MHz，覆蓋了DTV的工作頻帶。天線端口之間的隔離度優于25 dB。下文具體討論了天線設計和實驗結果。

2 天線設計

天線的演變過程由圖1所示。首先仿真了傳統Vivaldi天線作為參考，如圖1(a)所示。天線印刷在厚度為1.6mm介電常數4.4的FR4板上，介質基板尺寸為270mm×322.5mm。天線包括微帶線到槽線過渡結構，輻射槽結構和微帶饋線。另外，將四分之一波長阻抗變換器引入微帶饋電結構中以實現阻抗匹配。

微帶線到槽線的轉換由WST和WSL決定。指數漸變線定義為

y=c1eax+c2

(1)

其中c1和c2由漸變率a以及p1(x1,y1)，p2(x2,y2)兩個點決定

為了改善天線的性能，提出了天線加載指數漸變槽邊緣的改進方法。如圖1(b)所示，由于與輻射貼片的輪廓契合，指數漸變槽邊緣是一種在有限的貼片區域中延長天線的總電長度的有效結構。指數漸變槽邊緣由兩個指數曲線組成，在相對坐標系中由等式(1)描述。指數漸變槽邊緣曲線由漸變率β，以及q1(u1，v1)，q2(u2,v2)和q2(u3,v3)三個點決定。仿真優化后，所提出的天線最終由表1中所示的參數來制作。天線部分參數為：a=0.02，β=0.03，AR=86°，AR1=35°。

(a)傳統Vivaldi天線

(b)加載了指數漸變槽邊緣的改進Vivaldi天線

表1 天線參數

傳統Vivaldi天線和ETSE Vivaldi天線的|S11|對比如圖2所示。可以看出，具有|S11|≤10dB的傳統Vivaldi天線的頻率下限為510MHz，不覆蓋頻率470MHz，而ETSE Vivaldi天線將工作頻率擴展至470MHz。因此，改進的ETSE Vivaldi天線非常適合于DTV系統。

為了進一步研究在較低頻率的ETSE結構的表現，在圖3中給出了510MHz的頻點上，傳統Vivaldi天線和ETSE Vivaldi天線的電流分布。很容易可以發現，所提出的改進能夠減少外邊緣上的不需要的電流，使得輻射方向圖的旁瓣電平減小，510MHZ輻射方向圖如圖4所示。

圖2 傳統Vivaldi天線和改進的ETSE Vivaldi天線仿真的對比

圖3 傳統Vivaldi天線和改進的ETSE Vivaldi天線510MHz表面電流分布

圖4 傳統Vivaldi天線和ETSE Vivaldi天線510MHz在xoy面和yoz面的仿真方向圖

3 改進的ETSE Vivaldi天線的加工和測試

根據設計的Vivaldi天線的結構和尺寸，制作了雙極化Vivaldi天線，如圖5所示。雙極化Vivaldi天線仿真和測量的|S11|和|S21|如圖6所示。兩個端口與50Ω同軸線實現了良好的阻抗匹配，從而滿足所需的從470MHz到794MHz工作頻帶。在工作頻段，雙極化天線的兩個輸入端口之間的隔離度優于25dB。然而，仿真和測量的|S21|之間存在差異，這種差異來自制作誤差和SMA轉接頭的影響。對端口1進行激勵時，在530MHz和794MHz兩個頻點天線的xoy面和yoz面的仿真和測量的輻射方向圖如圖7所示。可以看出所提出的天線具有良好的定向輻射方向圖，并且在有效帶寬內，主瓣保持在端射方向(x軸方向)。天線在不同頻點的測量增益曲線如圖8所示。

圖5 雙極化Vivaldi天線實物圖

圖6 天線仿真和測試的S參量

(a)530MHz

(b)754MHz

圖8 天線測試增益

4 結論

本文針對數字電視系統設計了一種新型的雙極化Vivaldi天線。天線由十字形交叉的兩個正交取向的Vivaldi天線組成。通過使用指數漸變槽邊緣結構，使天線-10dB回波損耗的低頻段從原來的510MHz擴展到470MHz，滿足了DTV的頻段要求。此外，減小了輻射方向圖在較低頻段的旁瓣電平。

[1]Chen L Y，Z R Li，H Zhang，X Q Zhang，X

[1]F Wu，Y Yang.A planar metal-plate monopole antenna for indoor DTV applications[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，26(11)：1538-1544，Aug，2012.

[2]P J Gibson.The Vivaldi aerial[J].Proc 9th European Microwave Conf，101-105，1979.

[3]G Adamiuk，T Zwick，W Wiesbeck.Dual-orthogonal polarized Vivaldi antenna for ultra wideband applications[J].17th International Conference on Microwaves，Radar and Wireless Communications，1-4，2008.

[4]Song Lizhong，Fang Qingyuan.Design and measurement of a kind of dual polarized Vivaldi antenna[J].Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC)，2011(1)：494-497，2011.

[5]J B Rizk，G M Rebeiz.Millimeter-wave Fermi tapered slot antennas on micromachined silicon substrates[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，50(3)：379-383，Mar，2002.

[6]Peng Fei，Yong Chang Jiao，Wei Hu，Fu Shun Zhang.A Miniaturized Antipodal Vivaldi Antenna With Improved Radiation Characteristics[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，(10)：127-130，2011.

(責任編輯：宋金寶)

A Modified UWB Antipodal Vivaldi Antenna with Improved Radiation Characteristics

KANG Xiao-le1，CHEN Long-yao2，LI Zeng-rui1

(1.Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China 2.Jiangxi Communication Administration，Nanchang 330000，China)

In this paper，a dual-orthogonal polarized Vivaldi antenna with high port isolation is presented. The dual-polarized antenna structure is achieved by inserting two orthogonal Vivaldi antennas in a cross-shaped form without agalvanic contact. To satisfy the low-end bandwidth requirements and improve the radiation characteristics in the lower frequencies，a novel exponential tapered slot edge(ETSE)structure is proposed. Two feeding microstrip lines are utilized to realize independent feeding of each polarized port. The measured results show a reasonable agreement with the simulation results. The proposed antenna achieves a -10 dB with bandwidth of 470-794 MHz and demonstrates stable radiation patterns at the orthogonal polarization directions. Measurements show two linear polarizations with an isolation of better than 25 dB and the gains between 1.57 to 7.18 dBi over the operating frequency bands.The proposed antenna can be used for the digital television(DTV)applications.

dual-polarized Vivaldi antenna；exponential tapered slot edge(ETSE)；DTV applications

2016-12-08

康曉樂(1987 -)，女(漢族)，河北衡水人，中國傳媒大學博士研究生.E-mail：darever1988@126.com

O441.4

A

1673-4793(2017)02-0015-04