改進(jìn)型超寬帶Vivaldi天線設(shè)計(jì)與仿真

郭 晨，劉 策，龐 銳

(長安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

責(zé)任編輯:薛 京

隨著電子及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)寬帶傳輸系統(tǒng)的需求越來越普遍，從而對(duì)寬帶天線的設(shè)計(jì)也提出了更多的要求［1-4］。將超寬帶天線應(yīng)用于數(shù)字電視信息傳輸是近年來較新的研究方向［5］，各種類型的超寬帶天線設(shè)計(jì)問題也得到了更多的關(guān)注［6-8］。考慮到應(yīng)用于數(shù)字電視領(lǐng)域的無線寬帶系統(tǒng)對(duì)天線在集成性、體積、剖面以及帶寬等方面的要求，本文中選取帶寬較寬，且具有平面結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線進(jìn)行研究。

Vivaldi天線是Gibson［9］于1979年提出的一種行波天線，本文所討論的指數(shù)漸變槽型Vivaldi天線，其本質(zhì)是一種縫隙微帶天線，縫隙具有指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)，這種天線具有寬頻帶、高增益、波束對(duì)稱等特點(diǎn)［10-12］。此外，這種Vivaldi天線發(fā)射與接收時(shí)域波形時(shí)具有非色散特性，波形保真度較高，在通信傳輸以及探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力較大，其寬帶特性也為多頻接收衛(wèi)星信號(hào)等功能提供了可能性［13］。

近年來國內(nèi)外學(xué)者在Vivaldi天線的研究工作中取得了不少研究成果:Schaubert D H［14］以及周明［15］等將這種天線作為陣列單元組成單極化和雙極化的陣列，用于相控陣中。Langley［16］等人研發(fā)了一種具有雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)的帶狀線饋電 Vivaldi天線。此外，Linardou［17］等人提出了利用共面波導(dǎo)饋電的Vivaldi天線等。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

本文的研究工作從兩種不同結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線入手，根據(jù)微帶傳輸線及槽線理論，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)要求，在普通結(jié)構(gòu)的漸變槽Vivaldi及對(duì)踵Vivaldi天線基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了微帶阻抗?jié)u變段、同軸變換結(jié)構(gòu)等方式來改善Vivaldi天線的性能，并利用仿真軟件HFSS對(duì)該天線進(jìn)行建模仿真。

1.1 增加微帶阻抗過渡段的漸變槽Vivaldi天線

圖1為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的漸變槽Vivaldi天線示意圖。天線材料分為3層:第1層為金屬接地板，第2層為介質(zhì)板，下層為金屬微帶線(如圖1中虛線所示)。在第1層金屬接地板上刻出具有指數(shù)漸變的縫隙結(jié)構(gòu)(槽線)，其漸變槽線可看成由3部分構(gòu)成:第1段為圓形槽線，主要起著天線阻抗匹配的作用;第2段為矩形(平行槽線)，起耦合作用，主要影響電磁波的傳輸情況;第3段為指數(shù)漸變形槽線，對(duì)電磁波的輻射起引導(dǎo)作用。下層微帶線的終端通常設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)，主要起負(fù)載匹配作用，此天線的饋電端通過微帶線向槽線耦合饋電。

影響漸變槽Vivaldi天線帶寬的因素主要有微帶線結(jié)構(gòu)、指數(shù)漸變曲線彎曲程度、扇形結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)材料介電常數(shù)等，理論研究表明，通過加載或加入匹配結(jié)構(gòu)的方式可以有效展寬天線的帶寬，改善其阻抗匹配特性［18-20］。圖2為增加了微帶阻抗過渡段的改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線示意圖。在其他結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，對(duì)下層微帶線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，增加了矩形微帶過渡結(jié)構(gòu)(如圖2中虛線所示)，對(duì)天線的阻抗匹配起過渡作用。

圖1 傳統(tǒng)Vivaldi寬頻微帶天線總體結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)型的Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)圖

文中利用HFSS仿真軟件對(duì)這兩種漸變槽天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真以對(duì)比其性能。其中未加阻抗?jié)u變段的傳統(tǒng)漸變槽Vivaldi天線結(jié)構(gòu)尺寸為:d=18 cm，b=20 cm，t=0.16 cm，Lg=3 cm，Wst=0.3 cm，Dst=3 cm，Lw=1.5 cm，Lt=1.5 cm，Rr=1.5 cm，Wst=3 cm，L=9 cm，漸變槽邊沿的曲線函數(shù)x=±0.15e0.3y，介質(zhì)板采用相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65的玻璃鋼纖維強(qiáng)化聚四氟乙烯材料。仿真得到傳統(tǒng)漸變槽Vivaldi天線的回波損耗S11參數(shù)，如圖3所示。由S11結(jié)果圖可看出，傳統(tǒng)漸變槽Vivaldi天線帶寬范圍為3.6 ～5.2 GHz，帶寬為1.6 GHz。

圖3 未加阻抗?jié)u變段的漸變槽Vivaldi天線S11仿真圖

作為對(duì)比，作者對(duì)加入微帶阻抗?jié)u變段的改進(jìn)型Vivaldi天線模型在同樣仿真環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(天線模型結(jié)構(gòu)的其他尺寸均與上文中相同)，其中通過仿真軟件對(duì)微帶過渡結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。圖4給出了增加了矩形微帶過渡結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型Vivaldi天線仿真模型。

圖4 改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)(截圖)

仿真得到改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線的回波損耗S11參數(shù)及電壓駐波比如圖5所示。

由以上S11和VSWR結(jié)果圖可看出，該改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線帶寬范圍為 1.6～4.3 GHz，即帶寬為2.7 GHz。

對(duì)比圖3和圖5可看出，增加阻抗?jié)u變段后的漸變槽Vivaldi天線的最低工作頻率由圖3中的3.6 GHz變?yōu)?.6 GHz，帶寬也由圖3中的1.6 GHz增加為圖5a中的2.7 GHz，這一結(jié)果證明，微帶阻抗變換段對(duì)漸變槽Vivaldi天線帶寬的影響是非常大的，改進(jìn)后的漸變槽Vivaldi天線最低工作頻率降低，帶寬增加。由圖5b結(jié)果可得VSWR＜3，即駐波比小于3，符合工程實(shí)際要求。

1.2 對(duì)踵Vivaldi天線(對(duì)極性Vivaldi天線)

對(duì)踵Vivaldi天線結(jié)構(gòu)，又稱對(duì)極性Vivaldi天線，于1988年由Ehud Gazi提出，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。該天線為雙面結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板的兩側(cè)各有一片沿曲線變化的金屬導(dǎo)體。這種對(duì)踵Vivaldi天線的輻射方向圖左右對(duì)稱，且性能與漸變槽Vivaldi天線接近，應(yīng)用也十分廣泛。近年來，無論是傳統(tǒng)Vivaldi天線還是對(duì)踵Vivaldi天線作為陣列單元的研究都很活躍，發(fā)表的研究成果也較多［21］。

圖6 對(duì)踵Vivaldi天線結(jié)構(gòu)圖

本文中考慮到工程實(shí)際應(yīng)用需要，本文中將對(duì)踵Vivaldi天線微帶線-槽線饋電方式設(shè)計(jì)成同軸線饋電結(jié)構(gòu)，其仿真模型如圖7所示。

圖7 同軸線饋電型對(duì)踵Vivaldi天線模型

圖8為HFSS仿真軟件對(duì)同軸線饋電型對(duì)踵Vivaldi天線的仿真結(jié)果，可看出這一天線結(jié)構(gòu)在1.6～3.65 GHz范圍內(nèi)可滿足S11＜-10 dB，且VSWR＜3，其帶寬達(dá)到了2.05 GHz，其性能滿足介電常數(shù)測(cè)量天線的設(shè)計(jì)需求。

2 分析與結(jié)論

圖8 同軸線饋電型對(duì)踵Vivaldi天線的仿真結(jié)果

針對(duì)數(shù)字電視及寬帶通信等應(yīng)用領(lǐng)域，本文基于漸變槽以及對(duì)踵型這兩種類型的Vivaldi超寬帶天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過仿真結(jié)果對(duì)比，文中所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線通過加載阻抗變換段，能夠有效地改善天線的低頻特性，并且將天線的工作帶寬由1.6 GHz增加為2.7 GHz，改善了約70%。此外，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用需求，文中設(shè)計(jì)了另一種同軸饋電型對(duì)踵Vivaldi天線，其仿真結(jié)果表明，這種天線的帶寬可以達(dá)到2.05 GHz，工作低頻能達(dá)1.6 GHz左右，其性能與前文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型漸變槽Vivaldi天線較為接近，工作頻段滿足應(yīng)用需求，且所設(shè)計(jì)的天線駐波比在帶寬范圍內(nèi)均低于3，滿足工程設(shè)計(jì)要求。這一結(jié)論表明將Vivaldi寬帶天線應(yīng)用于數(shù)字電視信號(hào)傳輸及寬帶通信具有可行性。

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