一種對跖形超寬帶Vivaldi曲面共形天線

［摘 要］ 針對平面Vivaldi天線在曲面載體應用中范圍受限問題，提出了一種對跖形Vivaldi曲面共形天線。相較于平面天線，此天線能夠應用于弧形或球形等一些曲面載體。該天線初步設計是對平面天線輻射臂兩側的橢圓形導體底部添加正弦函數形狀，以改善阻抗特性，調整天線的阻抗匹配?；诖耍诖似矫嫣炀€的基礎上進行曲面共形，將兩個輻射單元分別覆于曲面介質基板的上下方，仿真結果表明該天線在共形后，曲面天線的回波損耗相比平面Vivaldi天線更小，在增益方面，未共形時的Vivaldi天線在工作頻段內的峰值增益大于10 dBi，在13 GHz時的最大增益為13.83 dBi，共形后的Vivaldi天線在7 GHz時增益能達到12.88 dBi，可知曲面天線在相同帶寬內較平面天線的回波損耗性能更好，且適用于曲面載體的應用。

［關鍵詞］ 超寬帶； Vivaldi天線； 回波損耗； 通信系統

［中圖分類號］ TN82

［文獻標識碼］ A

在現代無線通信系統中，天線作為一種發射或接收電磁波的單元，能夠實現自由空間電磁場和導播系統電磁場之間的轉換，因此被廣泛應用于衛星導航、雷達系統和醫療設備等領域[1]。傳統的平面Vivaldi天線雖然能夠滿足日常應用，但僅適用于平面載體，而應用于曲面載體時，需考慮到天線對載體的貼合，且天線需小型化，防止天線的傳輸能量發生損耗。目前，隨著科學技術的迅速發展，無線電系統的帶寬也隨之不斷擴展[2]，超寬帶（ultra wide-band，UWB）天線已成為天線領域的研究熱點之一。而Vivaldi天線普遍用在高速無線通信、高分辨率成像系統和射頻干擾等領域，主要因為Vivaldi天線不僅適用于超寬帶（UWB）信號，生產制造方便，重量輕還易于匹配饋線阻抗[3-5]。目前，Vivaldi天線的主要研究方向是減小天線尺寸、改善輻射特性和擴大阻抗帶寬[6]。為了達到這些目的，已經提出了許多方法。

Vivaldi天線最早是由Gibson[7]在1979年提出，即指數型槽線天線，隨后Gazit[8]在此基礎上提出了一種基于低介電常數襯底和對極槽線躍遷的類似天線結構，這種天線結構更加簡單，與原始方案相比，提供了更寬的帶寬。文獻[9-10]中提出了幾種對拓的Vivaldi天線結構。此類型天線的幾何形狀設計過于復雜，不僅影響制造成本，還可能由于制造過程中的誤差和磨損造成測量結果的不準確性，因為孔徑的粗細會對阻震天線的輻射特性產生影響[11]。文獻[12-14]中提出了幾種不同的橢圓對極Vivaldi天線，這些方案能夠增強射頻特性，但使得天線的幾何形狀變得復雜，而在決定相關輻射特性方面，天線粗細的輪廓起著關鍵性作用。

上述文獻在一定程度上提到了天線的帶寬問題，但隨著超寬帶技術的發展，要求天線帶寬和增益具備更佳的性能，通過以上研究，了解到超寬帶天線的應用領域較為廣泛，本文提出了一種對跖形超寬帶Vivaldi曲面共形天線，主要為了提高超寬帶天線的低頻輻射特性和帶寬等其他參數的穩定性，并且能夠較好地實現天線小型化，且能夠用于曲面載體，即橢圓形輻射貼片底部用正弦形狀加載于天線終端來改善天線性能，并對該設計天線進行共形，與傳統Vivaldi天線相比，天線在共形后能具備良好的帶寬性能，且相較于平面Vivaldi天線的工作頻段內回波損耗更低，表明回波損耗性能更好，改善了平面Vivaldi天線局限于對曲面載體的應用，適用于無線通信系統。

1 天線設計

1.1 Vivaidi天線的基本結構

Vivaldi天線是一種具有超寬帶、定向輻射、低交叉極化、低副瓣的天線。結構特征表現為具有弧形槽線的縫隙結構天線，它的輻射單元通常具有一個漸變的開口槽，開口大小和開口長度之間呈指數規律分布，因此天線的槽線為指數形式漸變線，這種指數形式槽線使得Vivaldi天線有更寬的帶寬[15]。傳統的天線模型圖如圖1所示，其藍色部分為介質基板，橙色部分為金屬層。該天線將金屬層覆蓋在介質基板的兩面，并在金屬層蝕刻出圓形槽線開路腔和漸變指數槽線組成的金屬縫隙結構。通常圓形槽線開路腔用于阻抗匹配，而電磁波沿著漸變指數槽線逐漸輻射至自由空間。

天線處于工作狀態時，電磁波開始進行傳輸，當漸變指數槽線開口較小時，電磁波的能量就會被天線的金屬貼片束縛，且此時天線的輻射較弱，然而當電流沿著指數漸變槽線傳輸至開口較大位置時，金屬貼片就會減弱對電場的束縛，從而使電場信號在開口處可向自由空間輻射。因此，天線的指數漸變槽線的最小距離決定天線的最高工作頻率，最大開口距離限制天線的最低工作頻率。

1.2 Vivaidi天線的工作原理

Vivaldi天線的槽線為指數型漸變槽線，因此要比普通的槽線天線具有更寬的帶寬。在圖1中，天線的指數漸變錐型槽是由p1和p2定義的，p1（x1，y1）為槽線的起點，p2（x2，y2）為槽線的終點，漸變指數槽線的設計方程可表示為：

本文在傳統Vivaldi天線的基礎上對金屬輻射貼片做了改善，將天線輻射面設計為常用的橢圓形帶狀分布，通常使兩個橢圓形導體分別加載于輻射臂兩側，本文在該設計的基礎上又將輻射臂下方用正弦函數形狀導體分布加載，主要目的是為了改善天線的阻抗特性，針對正弦形加載的公式如下：

在Vivaldi天線設計過程中，饋電方式尤為重要，饋線的匹配直接影響著天線的帶寬性能。Vivaldi天線作為一種行波天線，通常自身的帶寬就相對較寬，但阻抗帶寬被限制的問題仍舊存在，如在低頻處受到橫向開口尺寸的影響，高頻處則受到指數線起始部分大小的影響。但是在天線設計過程中，指數的起始點是與饋線相連，因而Vivaldi天線帶寬的高頻部分是由饋電點處的設計決定的。本設計中的對跖Vivaldi天線采用的是微帶-平行雙線過渡結構，從天線饋電端到天線末端的電阻以線性或指數關系增大變化，使得流經天線的電流能夠從饋電開端處到天線末端逐漸減小至零，便可消除天線末端的電流反射，故將對數方程應用到微帶漸變線的曲率設計中，滿足以下公式：

意在表明通過增加天線輻射部分的有效電長度改善天線性能，且此類型設計在寬帶電路中結構較為簡單，具有良好的阻抗特性和穩定性。

2 天線設計

2.1 平面Vivaldi天線結構

傳統的Vivaldi天線通常是由漸變錐形縫隙結構組成的金屬層覆蓋在介質基板上，天線因受到有限尺寸和饋電結構的影響，其帶寬性能受到限制。為使Vivaldi天線更好地實現帶寬匹配，獲得較大的傳輸能量，在傳統Vivaldi天線的基礎上，采用正弦函數和橢圓形狀阻抗加載的方法對平面Vivaldi天線結構展開設計。如圖2所示，灰色部分為介質基板，藍色和橙色部分為金屬層，分別分布在介質基板的正反面。

平面Vivaldi天線的介質基板選用介電常數ε=2.2，厚度為2 mm的Rogers5880材料，介質基板的損耗角正切值為0.0009，天線的整體尺寸為180 mm×90 mm，兩邊的輻射臂分別加載兩個類似橢圓形的扇葉，扇葉底部使用正弦函數形狀的正弦邊界可有效改善天線的阻抗特性，h為正弦函數的均值距離底部高度，微帶線采用從輻射貼片根部到介質基板底端的漸變結構對天線進行饋電，因平行雙線具有對稱結構，在寬帶電路中結構較為簡單，而微帶線過渡到平行雙線時，能夠與金屬平板間的電勢差保持不變，具有良好的平衡性和穩定的傳輸特性。

2.2 平面Vivaldi天線仿真優化

利用基于有限元法的ANSYS HFSS軟件對本文所提出的對跖Vivaldi超寬帶天線進行建模仿真和優化設計。通過對本文Vivaldi天線的參數研究，發現以正弦函數為邊界的對地高度h對天線的性能參數有較大影響，為了評估此參數，在保證天線模型其他參數不變的情況下，對變量h進行了參數研究，通過調整圖2所示的正弦曲線，不同取值的h對天線的模擬反射系數S11如圖3所示。

圖3對比了不同參數h得出的回波損耗，即S11。相較于其他h參數值優化結果，可以明顯看出當參數h=－1.5 mm時，Vivaldi天線在低頻段實現了更小的回波損耗，尤其是在2～4 GHz，相比其他參數，此時天線的回波損耗波動較小，且處于-10 dB下方，說明了此時Vivaldi天線在低頻處的帶寬性能滿足本文設計天線，阻抗匹配方面較為可觀，且當參數h=－1.5 mm時，在2～20 GHz的整個頻率范圍內，天線的回波損耗（S11）全部在-10 dB以下，達到了天線設計的預期目標，因此本文所提出的對跖Vivaldi天線可以在2～20 GHz的理想頻率范圍內工作。

通過對上述結果分析，可以看出金屬層底端正弦函數對天線的回波損耗影響頗大，因此對平面Vivaidi天線的回波損耗和增益進行仿真分析，當h=－1.5 mm時，天線的回波損耗如圖4所示，可以看出天線的回波損耗性能較好，在整個頻率范圍內的浮動達到了理想狀態，實現了超寬帶特性。

在保證天線參數不變的情況下，天線的增益效果如圖5所示。

從以上結果可以看出，當h=－1.5 mm時，平面Vivaldi天線的回波損耗達到了理想范圍，且天線增益也處于穩定上升趨于平穩的一個狀態，即未共形時的Vivaldi天線在工作頻段內的峰值增益大于10 dBi，在13 GHz時的最大增益為13.83 dBi，說明此時天線基本實現了初期設計指標范圍。

3 Vivaldi天線共形與仿真

3.1 曲面共形天線結構

曲面共形天線結構主體是由平面天線和介質基板基體組成，在保證平面Vivaldi天線參數不變的情況下，共形天線與載體結構表面外形保持一致，在不搭載對象引入額外負擔和影響載體的外形結構等特征下將平面天線共形。結構上表現為將平面Vivaldi天線的兩個輻射單元與曲面基體緊密貼合，由圖2共形后的天線可知，其中橙色輻射單元覆于曲面基體的上表面，藍色輻射單元覆于曲面基體的下表面，饋電采用對稱的平行雙線結構保證超寬帶天線的平衡性能。共形后的曲面基體為導電材料，同平面天線一樣采用的厚度為2 mm的Rogers5880材料，基底呈圓柱曲面形狀起到支撐天線的作用，整個基板寬度w=180 mm，彎曲高度為47.7 mm，曲面天線的整個橫跨距離d=260 mm，采用介質基板的介電常數和損耗角正切值與平面Vivaldi天線相同，即介電常數ε=2.2，損耗角正切值tanθ=0.009。曲面共形后的天線如圖6所示。藍色和橙色為金屬層分別貼附在曲面介質基板的正反面，同平面Vivadi天線一樣采用的是微帶-平行雙線結構對曲面天線饋電，這種曲面結構的方式可以很好地應用于弧形載體。

當平面Vivaldi天線與共形基體連接時，因整個共形后的天線基體變形較小，需要考慮天線覆于曲面基體時天線的延展性會對參數性能產生一定的影響，故對曲面天線的參數指標進行分析。

3.2 曲面天線仿真

在平面天線所有參數保持不變的情況下，對平面Vivaldi天線共形，弧形界面主要目的是為了可供曲面載體應用。為保證此設計的可行性，對共形后的曲面天線模型仿真，回波損耗如圖7所示。

結果顯示，曲面天線在全波段2～20 GHz內的回波損耗全部低于-10 dB以下，最低達到-40 dB左右，相較于平面天線，測得的曲面天線的回波損耗在全頻段內效果更好，實現了所設計天線的有效帶寬，基本達到天線的預期狀態。

同時對曲面天線的增益也做了分析，曲面天線增益如圖8所示。

由圖8可以看出曲面天線的增益在低頻2～7 GHz時處于上升狀態，且共形后的Vivaldi天線在7 GHz時增益能達到12.88 dBi，在6～12 GHz處于下降狀態，且在高頻18～20 GHz時增益趨近于零，因而曲面天線的增益在高頻時效果較差，考慮到天線共形時受到彎曲程度和材料延展性的影響，共形后的天線增益會發生衰減，在前半段頻率范圍內天線增益依舊很高，后半段頻率范圍內開始發生衰減。

4 仿真結果對比分析

對兩款天線的仿真結果做出比較分析，平面天線和曲面天線的回波損耗仿真如圖9所示。

黑色曲線為共形前天線的回波損耗，紅色線為共形后天線回波損耗。從優化結果可以得出，天線共形前后的回波損耗都達到-10 dB以下，但相較于平面天線，共形后的曲面天線在2～20 GHz全頻段內的回波損耗表現出了良好的帶寬性能，對天線波形圖做估計數值分析，保留了數值小數點后兩位，天線共形前后的回波損耗如表1所示。

在表1所選擇的中心頻率點，經過對比分析發現，共形后天線的回波損耗性能較平面天線更小，整個頻段內曲面天線的回波損耗更低。說明共形后的曲面Vivaldi天線匹配性能更好，能夠應用于對曲面載體的設計。

在保證參考條件不變的情況下對平面和曲面天線的增益比較分析，黑色為共形前的平面天線增益曲線，紅色為共形后的曲面天線增益曲線，即在相同頻段內，平面天線和曲面天線的增益性能仿真圖如圖10所示。

從圖10分析對比可知，未共形時天線在工作頻段內的峰值增益大于10 dBi，在13 GHz時的最大增益為13.83 dBi，共形后的曲面天線在7 GHz時增益能達到12.88 dBi，但在高頻時，天線增益有所衰減，這與天線共形的彎曲程度或者天線材料的延展性有關，使得曲面天線增益有所影響。天線共形前后的增益數值估計分析如表2所示，數值保留了小數點后兩位。

5 結束語

本文針對平面Vivaldi天線局限于曲面載體中的應用，對平面Vivaldi天線進行曲面共形，在傳統Vivaldi平面天線上提出了一種對跖形Vivaldi曲面共形天線。以平面Vivaldi天線為基礎，將輻射臂兩側的橢圓形輻射單元底部設計成正弦函數形狀，以增強阻抗特性，調整天線的阻抗匹配，同時在此天線基礎上進行曲面共形。仿真結果表明在設計覆蓋頻率為2～20 GHz范圍內，共形后曲面天線的回波損耗相比平面Vivaldi天線更小，表現出了工作帶寬內良好的輻射特性，阻抗匹配效果更高，在增益方面，未共形時的Vivaldi天線在工作頻段內的峰值增益處于穩定上升最后趨于平穩的狀態；而共形后的Vivaldi天線在8 GHz時最高增益能達到12.57 dBi，因受到曲面共形彎曲程度或天線材料延展性的影響，在后段頻率范圍內天線增益開始出現衰減，但天線整體基本達到設計要求，曲面共形后天線的回波損耗較平面天線更小，說明了它的匹配性能更好，且能夠應用于弧形、球形等曲面載體，可用于超寬帶無線通信系統。

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A Parametatarsal Ultrawideband Vivaldi Surface Conformal Antenna

FENG Li， FU Menghan

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China）

Abstract： In view of the limitation of the application range of the planar Vivaldi antenna in curved carriers， this paper proposes a metatarsal Vivaldi conformal antenna， which can be applied to curved carriers such as arcs or spheres， compared with the planar antenna. The preliminary design of the antenna is to add a sine function shape to the bottom of the elliptical conductor on both sides of the radiation arm of the plane antenna to improve the impedance characteristics and adjust the impedance matching of the antenna. Based on this， the surface conformal is carried out on the basis of the plane antenna， and the two radiation elements are respectively covered on the upper and lower parts of the curved dielectric substrate. The simulation results show that the return loss of the curved antenna is smaller than that of the plane Vivaldi antenna after conformal; In terms of gain， the peak gain of Vivaldi antenna without conformal is greater than 10 dBi in the operating frequency band， the maximum gain is 13.83 dBi at 13 GHz， and the gain of the conformal Vivaldi antenna can reach 12.88 dBi at 7 GHz. It can be seen that the return loss performance of curved antenna is better than that of planar antenna in the same bandwidth， and it is suitable for the application of curved carrier.

Keywords： ultra broadband; vivaldi antenna; return loss; communication systems

［責任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2023-01-06

［基金項目］ 國家自然科學基金（41601399）；" 博士科研啟動基金（BSQD2020011）

［第一作者］ 豐 勵（1982-）， 男，" 湖北武漢人，" 湖北工業大學副教授，" 研究方向為微波遙感。

［通信作者］ 付夢晗（1996-）， 女，" 河南商丘人，" 湖北工業大學碩士研究生，" 研究方向為射頻電路。