一種基于微帶線-共面帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線研究

宋立眾 姚國國 霍紀(jì)兵

摘 要：本文研究了一種基于微帶線-共面帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線。 采用單層介質(zhì)基板， 設(shè)計(jì)了一種微帶線-槽線-共面帶狀線的巴倫結(jié)構(gòu)， 天線輻射部分采用指數(shù)漸變的Vivaldi天線， 設(shè)計(jì)的饋電巴倫和天線輻射結(jié)構(gòu)方便連接， 整個(gè)天線具有結(jié)構(gòu)簡單、 易于設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。 采用全波電磁仿真技術(shù)， 對微帶線-共面帶狀線巴倫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 使之滿足天線輻射器的阻抗匹配要求。 仿真結(jié)果表明， 在2.5～3 GHz的頻率范圍內(nèi)， 設(shè)計(jì)的天線回波損耗約小于-10 dB， 增益大于4 dBi， 具有較高的效率。 對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工和測試， 結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的有效性。 本文設(shè)計(jì)的Vivaldi天線可用作相控陣天線的單元， 具有實(shí)際工程意義。

關(guān)鍵詞： Vivaldi天線; 巴倫; 天線仿真; 寬波束; 方向圖; 回波損耗

中圖分類號：TJ765.3+31; TN821文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 1673-5048（2018）05-0058-05[SQ0]

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展， 相控陣天線和數(shù)字陣列天線日益獲得廣泛應(yīng)用， 代表著未來天線技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[1-2]。 近年來， 相控陣天線的研究熱點(diǎn)包括寬角掃描、 寬頻帶、 雙極化和低成本等方面[3-4]。 在導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭領(lǐng)域， 相控陣天線和數(shù)字陣列天線將有望替代傳統(tǒng)的機(jī)械掃描的天線系統(tǒng)， 可以預(yù)期， 由于相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭具有作用距離遠(yuǎn)、 探測精度高、 波束掃描靈活和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 將在精確制導(dǎo)領(lǐng)域成為主流[5-6]。 相控陣天線或數(shù)字陣列天線要求天線單元具有寬波束掃描能力和良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性， 同時(shí)， 對于龐大的天線陣列而言， 還需要保證天線單元具有結(jié)構(gòu)簡單、 易于設(shè)計(jì)和成本低廉的特點(diǎn)。

Vivaldi天線是一種漸變縫隙結(jié)構(gòu)的天線形式， 由于其具有寬頻帶、 寬波束和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[7-8]， 已成為十分常用的相控陣天線單元。 同時(shí)， Vivaldi天線設(shè)計(jì)靈活， 通過改進(jìn)設(shè)計(jì)， 可實(shí)現(xiàn)雙極化、 與載體共形和可重構(gòu)等性能， 因此， Vivaldi天線是一種適合于工程應(yīng)用的天線類型， 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9-10]。 在Vivaldi天線的設(shè)計(jì)中， 饋電結(jié)構(gòu)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 其作用是完成饋電的同軸線到輻射器的阻抗匹配， 實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸， 獲得預(yù)期的輻射方向圖。 在從不平衡的同軸線到平衡的輻射器輸入端口之間， 通常需要加入不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換器， 即巴倫（balun）， 其作用是在實(shí)現(xiàn)信號的不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還能獲

得阻抗變換的效果[11-12]。 在印刷天線設(shè)計(jì)中， 常用的巴倫形式有微帶線-共面帶狀線巴倫、 共面波導(dǎo)（CPW）-共面帶狀線巴倫等。 本文研究一種微帶線-槽線-共面帶狀線的印刷巴倫結(jié)構(gòu)， 采用單層介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)該巴倫方案， 結(jié)構(gòu)簡單， 易于實(shí)現(xiàn);基于該微帶線-共面帶狀線巴倫， 設(shè)計(jì)了一種平衡式Vivaldi天線結(jié)構(gòu)， 對天線進(jìn)行了全波電磁仿真和優(yōu)化， 開展了天線加工和實(shí)驗(yàn)測試工作， 研究結(jié)果表明了該天線設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 微帶線-共面帶狀線轉(zhuǎn)換巴倫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

本文采用的巴倫形式為微帶線到共面帶狀線轉(zhuǎn)換的單層介質(zhì)基板印刷巴倫， 如圖1所示。 微帶線便于與同軸電纜連接， 微帶線通過電磁耦合方式轉(zhuǎn)換為槽線， 再通過槽線轉(zhuǎn)換為共面帶狀線， 共面帶狀線直接與天線輻射器連接， 輻射器為對稱結(jié)構(gòu)。 介質(zhì)板選擇常用的FR4， 厚度為1 mm， 金屬銅箔厚度為0.036 mm。 在介質(zhì)基板的微帶線一側(cè)， 微帶線一端與同軸電纜連接， 另一端加載一個(gè)方形的枝節(jié)， 調(diào)整阻抗匹配性能， 邊長為ee;在微帶線中加入一小段連續(xù)阻抗變換端， 以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)阻抗變換。 在金屬地板一側(cè)， 槽線兩端引入方形腔體， 邊長為ff， 可用來調(diào)整阻抗， 實(shí)現(xiàn)微帶線與槽線之間的良好耦合。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和仿真， 設(shè)計(jì)確定的參數(shù)值為： bb=8 mm， cc=10 mm， ee=6 mm， ff=5 mm。 仿真得到的巴倫端口的VSWR和傳輸系數(shù)如圖2所示。 端口1定義為微帶線端口， 端口2定義為共面帶狀線端口， 端口2的特性阻抗約為150 Ω。 可以看出， 在2.5～3 GHz范圍內(nèi)， 兩個(gè)端口的回波損耗均低于-10 dB， 插入損耗在0和-1 dB之間。

圖3～4分別為設(shè)計(jì)的微帶線到共面帶狀線轉(zhuǎn)換的印刷巴倫性能隨著參數(shù)ee和ff變化的仿真曲線。 從圖3可以看出， 當(dāng)方形枝節(jié)的尺寸在ee=6 mm時(shí)， 兩個(gè)端口的回波損耗和插入衰減均能滿足要求;當(dāng)方形枝節(jié)尺寸較小時(shí)， 兩個(gè)端口的匹配性能下降， 插入損耗較大;當(dāng)方形枝節(jié)尺寸為10 mm時(shí)， 在工作頻帶內(nèi)， 端口1的回波損耗和巴倫的插入損耗發(fā)生明顯變化， 端口2的回波損耗變化不大。

從圖4可以看出， 當(dāng)槽線諧振腔的尺寸在ff=5 mm時(shí)， 兩個(gè)端口的回波損耗和插入衰減均能滿足要求。

2 微帶線-共面帶狀線饋電Vivaldi天線的設(shè)計(jì)與仿真

將上述設(shè)計(jì)的微帶線-共面帶狀線印刷巴倫與印刷Vivaldi輻射器直接連接， 形成對稱結(jié)構(gòu)的天線整體結(jié)構(gòu)， 巴倫的CPS端口的特性阻抗與輻射器的輸入阻抗實(shí)現(xiàn)匹配。 設(shè)計(jì)的天線整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。 天線輻射器的邊緣采用了兩個(gè)指數(shù)函數(shù)曲線， 其方程為

x=aery（1）

式中： a和r為常數(shù)， 用來控制指數(shù)曲線的形狀和尺寸。

對上述設(shè)計(jì)的Vivaldi天線進(jìn)行全波電磁仿真， 得到回波損耗的仿真結(jié)果如圖6所示。 可以看出， 在2.5～3 GHz范圍內(nèi)的平均回波損耗約為-10 dB， 相對帶寬約為18%;在2.2～3.2 GHz范圍內(nèi)， 回波損耗約小于-8.2 dB， 相對帶寬約為37%;該天線具有相對較寬的阻抗帶寬， 對于常見的數(shù)字陣列天線或相控陣天線可以滿足要求。

圖7～8分別給出了設(shè)計(jì)的微帶線-共面帶狀線印刷巴倫饋電Vivaldi天線在頻率為2.5 GHz和3 GHz時(shí)的輻射方向圖仿真結(jié)果。 此處給出的是

xoy面和yoz面的方向圖， 其中xoy面是E面， yoz面是H面。 在頻率為2.5 GHz時(shí)， 天線的增益約為4.5 dBi， E面和H面的波束寬度分別約為103°和160°;在頻率為3 GHz時(shí)， 天線的增益約為4.4 dBi， E面和H面的波束寬度分別約為81°和103°。

3 微帶線-共面帶狀線饋電Vivaldi天線的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)設(shè)計(jì)的微帶線-共面帶狀線印刷巴倫饋電Vivaldi天線結(jié)構(gòu)和尺寸， 加工了天線原理樣機(jī)， 照片如圖9所示。 測試的天線在輸入端口上的回波損耗測試曲線如圖10所示。 測試結(jié)果表明， 在2.5～3 GHz范圍內(nèi)， 加工的Vivaldi天線的回波損耗約小于-10 dB， 在2.5 GHz和3 GHz頻點(diǎn)上的回波損耗均小于-15 dB。 本文所加工的天線的回波損耗測試結(jié)果與仿真結(jié)果相接近。

在此給出兩個(gè)頻率上的天線輻射方向圖測試數(shù)據(jù)結(jié)果。 在2.5 GHz和3 GHz處， 測試的天線輻射方向圖分別如圖11～12所示， 同樣， 對于每一個(gè)頻率， 分別給出了E面和H面的方向圖數(shù)據(jù)結(jié)果。 該天線形成了預(yù)期的輻射方向圖， 增益略低于仿真結(jié)果， 方向圖發(fā)生一定的波動和起伏， 這是由于加工誤差和測試誤差引起的。

4 結(jié)論

數(shù)字天線陣列和相控陣天線已成為天線研究領(lǐng)域的發(fā)展方向， 天線單元是天線陣列設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 本文以Vivaldi天線作為輻射器， 引入一種微帶線到共面帶狀線的巴倫結(jié)構(gòu)對天線輻射器進(jìn)行饋電， 二者之間可方便進(jìn)行連接， 易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 采用全波電磁仿真技術(shù)對設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 在2.5～3 GHz范圍內(nèi)獲得了良好的阻抗匹配和輻射特性。 根據(jù)設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)， 進(jìn)行了天線的加工和測試工作， 給出了具體的測試結(jié)果， 研究結(jié)果表明了本文設(shè)計(jì)方案的可行性。 基于微帶線-共面帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線具有結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉、 加工方便和輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)， 可作為相控陣天線單元的可選方案。

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Research on a Vivaldi Antenna Fed by a

Microstrip Coplanar Strip Balun

Song Lizhong1， Yao Guoguo2， 3， Huo Jibing1

（1. School of Information Science and Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai264209， China;

2. China Airborne Missile Academy， Luoyang， Luoyang 471009， China;

3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons， Luoyang 471009， China）

Abstract： A kind of Vivaldi antenna fed by a microstrip coplanar strip （CPS） balun is researched. A microstrip to slot line to CPS balun is designed by using a single layer substrate. The antenna radiator adopts a exponentially tapered Vivaldi antenna. The designed balun and antenna radiation structure are easily connected， and the whole antenna has the advantages of simple structure and easy design. The microstrip CPS balun is designed and optimized through the full wave electromagnetic simulation technique， which can realize the impedance matching with the antenna radiator. The simulation results reveal that the return loss of designed antenna is less than -10 dB， the gain is higher than 4 dBi， and the high efficiency is achieved within the frequency range from 2.5 GHz to 3 GHz. The designed antenna is fabricated and tested， and the experimental results indicate that the designis effective. The designed Vivaldi antenna can be used as the element of the phased array antenna， which is meaningful in Engineering.

Key words：Vivaldi antenna; balun;antenna simulation; wide beam; pattern; return loss