超寬帶Vivaldi天線的設計及分析

王府生，劉淑芳，李慧敏，張靜雅，史小衛

(西安電子科技大學 天線與微波技術國家重點實驗室，西安 710071)

0 引言

Vivaldi天線是GIBSON于1979年提出的一種指數漸變槽線天線，作為一種超寬帶行波縫隙天線，其逐漸變寬形成喇叭口形狀的縫隙結構是輻射或接收能量的主體[1]。由于在不同的頻率上，槽線不同部分發射或接收電磁波，因此Vivaldi天線具有端射、工作頻帶較寬、增益較高、方向圖波束對稱等特點[2]。此外，它具有剖面低、質量輕、易于制作、便于共形、便于和微波電路集成等優點，在微波和毫米波波段具有廣泛的應用[3]。

近年來國內外對Vivaldi天線的研究很多，但總體來說對于同時實現超寬帶、低剖面、穩定高增益的文獻還很少。例如：陳文星等[4]在平衡對跖Vivaldi天線的基礎上，對天線開不對稱半橢圓槽的方法克服方向圖不對稱的問題；DE OLIVEIRA A等[5]通過將槽線形狀改變為利用傅里葉級數設計不規則曲線，雖然具有2.1～9.2 GHz的阻抗帶寬，但其在4.5～6.5 GHz頻段內增益較低，增益不平穩；AUN R G等[6]提出一種棕櫚樹狀指數槽邊改進的Vivaldi天線，擴展了低頻段的帶寬限制，提高了主瓣增益，但設計結構較為復雜。

由于機載、彈載等平臺的空間有限，希望用一副天線實現雷達、通信和電子對抗等多種功能，這就需要天線具有低剖面、超寬帶等特點[7-10]。本文在分析常規型Vivaldi天線的基礎上，設計改進了1副頻帶為2～18 GHz的雙指數漸變Vivaldi天線，天線采用雙指數漸變結構，目的是消除開口突然結束產生的散射，從而獲得較寬的帶寬。與常見對跖Vivaldi天線和平衡Vivaldi天線的2個輻射貼片分別置于介質基板的上下2個表面不同，本文將Vivaldi天線的2個輻射貼片置于介質基板的同一表面，與傳統Vivaldi天線相比具有剖面低，結構簡單，容易加工的優點。同時不存在E面方向圖不對稱的問題，性能較優越。

1 天線結構

本文設計的微帶線-槽線饋電形式的Vivaldi天線，主要由天線、阻抗變換器、巴倫和金屬微帶線4部分組成，是對常規Vivaldi天線的一種改進。

為取材方便，選用介質基板為厚度0.8 mm的 Arlon Tc350材料(相對介電常數=3.5，介質損耗角正切=0.002)。

Vivaldi天線結構如圖1所示。長度為a，寬度為b，厚度為h的介質板上表面由天線貼片，矩形共面帶線阻抗變換器和超寬帶巴倫3部分組成。其中天線貼片的雙指數漸變形對稱結構由起始點P1(x1,y1)，終點P2(x2,y2)和槽線漸變率R共同決定，漸變槽線上下開口寬度分別為L上=2(y2-y1)+D6，L下=D6，槽線的長度C=(x2-x1)。共面帶線阻抗變換器為圖1中長度為L3，寬度為D5的矩形。巴倫結構包括上底為2D4+D6，下底為D1，高為L1的梯形和2個長度為L2，寬度為D4的矩形組成。介質板下表面為上底為D3，下底為D2，長度小于最低頻率1/4波長的金屬微帶漸變線。

微帶饋線通過介質板的金屬通孔與上表面巴倫結構上寬為L4的微小縫隙共同調節傳輸到共面帶線上，同時實現微帶線與共面帶線的寬帶阻抗匹配[11]。

根據微帶傳輸線及槽線理論，給出計算Vivaldi天線結構基本參數的分析過程與詳細步驟[12]。

由于微帶線要與同軸線匹配，因此選定微帶線特性阻抗Z=50 Ω，然后確定微帶漸變線初始寬度；有如下公式

q=2πud/λ0+arctan(u/v)

(1)

(2)

(3)

圖1 Vivaldi天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of Vivaldi antenna

式中：d為介質基板厚度；εr為有效介電常數；λ0為自由空間波長；λs為槽線內介質波長。則耦合因子為

N=cos(2πud/λ0)-cot(q)sin(2πud/λ0)

(4)

微帶線特性阻抗Z與槽線特性阻抗Zt之間的關系為

Z=N2Zt

(5)

從而可以得到槽線特性阻抗Zt，再由下式可求得槽線寬度w。

lnεr)](w/d)ln(100d/λ0)+131.1(1.028-

(6)

天線開口寬度分別由所設計的工作頻段的高、低截止頻率決定。通常取開口最寬處為低頻截止頻率所對應介質波長的1.3倍左右，最窄處寬度為高頻截止頻率所對應工作波長的2%左右[13]。從而確定Vivaldi天線漸變槽線的上下開口寬度。

根據天線漸變槽線的上下開口寬度和槽線長度確定指數漸變槽線起始點P1(x1,y1)和終止點P2(x2,y2)，然后通過Vivaldi天線指數線模型公式確定雙指數方程。

Vivaldi天線指數線模型公式[11]為

y=±(c1eRx+c2)

(7)

通過以上步驟即可初步計算出超寬帶Vivaldi天線的基本參數。本文所設計的雙指數漸變天線的漸變線由兩部分組成。

1) 內部漸變線取值為：R=0.1,x1=0,y1=0.1,x2=55,y2=50.1。

2) 外部漸變線取值為：R=0.5,x1=0,y1=1.73,x2=15,y2=50.1。

代入式(7)中即可得出內側指數漸變線方程與外側指數漸變線方程。最后利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設計的Vivaldi天線各參數進行設計優化，優化后天線的結構關鍵參數見表1。

表1 天線單元相關參數

2 天線仿真結果與分析

利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設計的Vivaldi天線進行仿真。

2.1 天線S11參數仿真結果

內指數漸變率R不同時天線的S11參數如圖2所示。天線的S11參數與R有關，R減小時，可以改善整個頻段內特別是低頻端的回波損耗。

圖2 內指數漸變率R不同時天線的S11參數Fig.2 Antenna parameter S11 changing with R

2.2 天線增益仿真結果

R不同時的天線的增益如圖3所示。隨著R的增大，同一頻率下天線的增益減小，特別是在低頻至中心頻率范圍內這一趨勢表現更為明顯。

圖3 內指數漸變率R不同時的天線增益Fig.3 Antenna gain changing with R

對小型Vivaldi天線而言，R的取值會直接影響天線輸入端口的回波損耗和天線的增益。綜合不同R時的天線的S11參數和增益，本文取R=0.1。

槽線內波導波長比自由空間波長小，因此槽線的能量聚集在槽線的附近。大量實驗證明，槽線傳輸線的基本傳輸模式是“準TEM?！?，而不是TEM模[14-16]。Vivaldi天線貼片表面電流分布如圖4所示，輻射單元上的電流主要分布在漸變槽線附近。

3 天線測試結果與分析

3.1 天線實物制作

根據仿真數據確定天線尺寸大小，并實際加工制作了雙指數漸變槽線天線實物，如圖5所示。

圖5 Vivaldi天線加工實物圖Fig.5 Physical drawing of Vivaldi antenna

同時利用矢量網絡分析儀Agilent MS46322 A 在2～18 GHz頻帶內對所加工天線的S11參數進行了測量，結果如圖6所示。

圖6 Vivaldi天線S11參數仿真與測量結果對比Fig.6 Comparison of Vivaldi antenna parameter S11 simulation and measurement results

從圖6可看出，該天線實際測量的S11參數在低頻4～6 GHz內存在一定差異，除此之外在全頻帶內的變化趨勢與仿真結果基本一致，在2～18 GHz全頻段內仿真與測量的S11參數都優于-10 dB。出現這種情況的原因是：在低頻端，天線匹配較差，不能進行有效輻射；在高頻端，天線上的電流沿天線衰減較為迅速，輻射性能好。

3.2 天線方向圖測試結果

為了驗證小型化超寬帶Vivaldi天線的輻射性能，對所設計加工的Vivaldi天線的方向圖和增益進行了測試。并與仿真結果進行對比，本文給出5個典型頻點遠場方向圖的仿真與測試結果，如圖7所示。

圖7 Vivaldi天線仿真與測試歸一化方向圖對比Fig.7 Comparison of Vivaldi antenna simulation and test normalized directional pattern

從圖7可看出，實測和仿真的方向圖存在細微差異。這是由于天線加工誤差、安裝誤差及測試環境不理想等原因引起的。同時由于天線加工精度的原因，天線實物與仿真模型在指數漸變最窄處不能很好地吻合，會直接影響到高頻段的輻射性能。天線在高頻段會引起高次模激勵，因此，圖7(e)中出現較多旁瓣。但總體來說，整個工作頻段內天線方向圖的測試與仿真結果基本一致，且天線端射特性良好。

3.3 天線增益測試結果

Vivaldi天線增益仿真與測量結果對比如圖8所示。在整個工作頻段內Vivaldi天線的增益隨著頻率增高而增加，且最高可達10.5 dB。天線在整個頻段內主輻射方向增益的實測和仿真結果基本一致。

圖8 Vivaldi天線增益仿真與測量結果對比Fig.8 Comparison of Vivaldi antenna gain simulation and measurement results

4 腔體對超寬帶Vivaldi天線影響

在實際應用中，為了符合載體的性能與美觀要求，天線往往置于金屬皮層內，這就需要對位于金屬腔體內的天線實際輻射情況進行研究。

置于腔體內的超寬帶Vivaldi天線仿真如圖9所示。將所設計的Vivaldi天線放置于一無蓋金屬腔體內，其中Ground_z為腔體底面至天線的距離，Ground_x為沿X軸即天線最大輻射方向上腔體側面至天線的距離。

圖9 置于腔體內的超寬帶Vivaldi天線仿真圖Fig.9 Ultra-wideband Vivaldi antenna placed in cavity

4.1 腔體尺寸對參數S11的影響

以參數S11的仿真結果為參考，對所設置的變量進行參數掃描分析，得出金屬腔體的最佳尺寸。

對變量Ground_x和Ground_z進行參數掃描，其S11的仿真結果如圖10、11所示。由圖10可見，當Ground_x=62 mm時，即沿天線最大輻射方向上腔體側面至天線的距離為62 mm時，天線的S11仿真結果較好，在2～18 GHz全頻段內均優于-10 dB。由圖11可見，當Ground_z=42 mm時，即腔體底面至天線的距離為42 mm時，天線的S11仿真結果較好，在2～18 GHz全頻段內均優于-10 dB。

通過優化最終確定腔體底面至天線的距離為42 mm，沿天線最大輻射方向上，腔體側面至天線的距離為62 mm。最終參數S11的仿真結果如圖12所示。

4.2 腔體對天線單元的影響

采用上述腔體結構參數，仿真分析腔體對天線方向圖的影響，3個典型頻點處的3D方向圖如圖13所示。為便于比較，同時給出了未放置于腔體前的方向圖。

圖10 S11隨Ground_x的變化Fig.10 S11 changing with Ground_x

圖11 腔體底面至天線的不同距離Ground_z所對應的S11Fig.11 Corresponding S11of Ground_z(distance from the bottom of the cavity to the antenna)

圖13 不同頻點處的三維方向圖對比Fig.13 Comparison of three-dimensional patterns at different frequencies before and after Vivaldi antenna is placed in the cavity

通過對比天線單元放置于腔體內前、后在典型頻點處的三維方向圖，可看出將天線單元放置于金屬腔體后，最大輻射方向發生了一定程度的偏轉，特別在低頻2 GHz時，偏轉較為明顯。但隨著頻率增高，偏轉變得不明顯，這是由于腔體的金屬面存在一定程度的反射所致。

5 結束語

本文在分析傳統型Vivaldi天線的基礎上，改進設計了一種2～18 GHz的雙指數漸變結構Vivaldi天線，并完成對天線的實物加工與測試。實測結果表明：該天線在工作頻段內的回波損耗優于-10 dB，增益最高可達到10.5 dB。與傳統Vivaldi天線相比，改進后天線具有超寬帶、增益高且平穩、方向圖對稱，以及結構簡單等特點。并通過將天線單元放置于金屬腔體內來模擬實際應用環境，仿真表明：低頻端輻射方向相對于原來的輻射方向會發生一定偏轉，但隨著頻率增高，方向圖偏轉角度明顯減小甚至不發生偏轉，天線單元依然具有良好的端射特性，可廣泛應用于對帶寬和增益有嚴格要求的高頻段導彈、雷達系統以及微波探測等軍用、民用領域。

在實際應用中，考慮到尺寸限制、加工成本等因素，今后的研究過程中在保證天線具有較好輻射特性的前提下，盡可能做到小型化、低交叉極化。同時可將設計的高增益Vivaldi天線單元組成陣列，研究和分析其各方面指標特性。

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