漸變槽天線端射特性優化設計

王友成 董明宇 張 鋒 葉盛波 紀奕才 方廣有 張曉娟

?

漸變槽天線端射特性優化設計

王友成*①②董明宇③張 鋒①葉盛波①紀奕才①方廣有①張曉娟①

①(中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室 北京 100190);②(中國科學院大學 北京 100049);③(中國電力科學研究院用電與能效所 北京 100085)

該文在優化漸變槽天線結構基礎上，采用柵形開槽和加載周期結構，設計了一款平面端射天線。通過數值模擬，分析了柵形開槽和周期結構對天線輻射特性的影響。該結構在1~3.5 GHz頻帶內，明顯改善了漸變槽天線的端射特性。天線樣機測試結果表明，該天線在1~3.5 GHz內，駐波系數小于2，增益約為7 dBi。天線的群時延相對平坦，時域波形振鈴較小，可以應用于脈沖體制雷達。

天線；漸變槽；增益；小型化

1 引言

脈沖體制雷達具有高分辨、非破壞性和快速成像等優點，并廣泛應用于道路結構缺陷檢測、橋梁隧道檢測等。天線作為前端傳感器，其性能的優劣對雷達的探測性能具有重要的影響。常用于脈沖體制雷達的天線包括：帶金屬背腔的平面印制蝶形天線及其變形、喇叭天線、平面端射漸變槽天線等。其中，漸變槽天線具有低剖面、方向性好、容易組陣等優點。在陣列雷達應用中，陣列天線單元需要具有緊支撐的結構，以及較好的輻射特性。因此，漸變槽天線獲得眾多研究者青睞。對天線的輻射臂進行柵狀開槽，能夠有效改善天線前后輻射比并降低副瓣[15]。在天線端面上利用周期結構，構成人工電磁材料，改變天線輻射末端區域折射率，能夠改善天線增益[16]。本文采用經典電磁耦合的饋電結構，指數漸變槽構成天線臂，并對天線臂末端進行圓弧形處理。通過仿真進一步分析了柵狀開槽(Slot)和周期結構(Periodic Structure, PS)加載對天線特性的影響。最后，加工了一對天線并對其進行了頻域和時域特性測試。本文第2節介紹了天線的幾何結構和仿真結果，第3節給出了天線的測試結果，第4節為結論。

圖1 天線結構圖

2 天線設計與仿真

2.1天線幾何結構

表1天線結構參數(mm)

L1L2L3L4W1W2W3 202.8742.805.0016.45158.602.004.40 W4W5W6W7R 6.600.150.301.0011.5985o

2.2 數值仿真結果

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對天線特性進行了數值模擬。仿真設計包括：常規漸變槽天線(Regular)，柵狀開槽(Slot)和增加周期結構(Slot+ PS)。為了分析開槽結構和周期結構對天線端射特性的影響，仿真分析了其輻射特性。圖2給出了天線在2 GHz頻點處表面電流分布仿真結果，從圖2中可以看出，通過饋電處扇形枝節的電磁耦合，電流沿槽線向天線張開的末端流動。明顯可以看到，能量束縛在槽線中。當槽線逐漸張開時，能量將會向外輻射。在天線槽線張開的末端，電流沿邊緣分布；靠近末端的柵狀開槽，延長了電流的路徑，這有利于拓展天線的帶寬。加載在天線臂末端的周期結構部分表面電流分布如圖2中箭頭所指的局部放大圖所示，可以看到周期結構表面產生了較弱的感應電流，正對著槽線處的周期結構單元感應電流相對較強，這種感應電流對槽線張口處的輻射有引向器的作用，這意味著天線的增益能得到改善。在圖3中，分別比較了這3種天線的駐波仿真結果?？梢钥闯?，柵狀開槽后，低頻段阻抗匹配變差，導致在0.5~1.0 GHz之間駐波出現突起。實際上，柵狀開槽結構延長了天線輻射臂末端電流路徑，有利于拓展低頻。但天線臂開槽之后，天線的輸入阻抗會發生變化，相應需要調整匹配。本文為了研究應用于1.0~3.5 GHz頻段天線輻射特性，并未對柵狀結構的尺寸進行優化。當增加柵狀和周期結構之后，天線的駐波特性在1.0 GHz以上，基本保持不變。圖4給出了天線增益仿真結果，從圖中可以看出，柵狀開槽以后，天線增益明顯得到增強。在0.5~1.8 GHz頻帶內，柵狀結構使得天線增益增加約3 dB；在高頻段，天線增益基本保持不變。在柵狀開槽基礎上，增加周期結構，在高頻段能夠進一步改善天線的增益。這也說明周期結構在保證電磁波透射的同時，有著引向的作用。圖5-圖8分別仿真了天線面和面歸一化輻射方向圖。其中，圖5和圖6分別對應面在頻點2 GHz和3 GHz輻射模式。從圖中可以看出，天線方向圖呈端射特性。柵形開槽之后，天線的后向輻射明顯減小、副瓣降低。在柵形開槽基礎上再增加周期結構，天線的副瓣和后向輻射得到進一步抑制。

圖2 天線2 GHz表面頻點電流分布仿真結果

3 天線測試結果

為驗證設計思路，加工了一對天線樣機，并用安捷倫網絡分析儀E5071C對其進行了測試。天線樣機的整體尺寸為203 mm159 mm 。天線的駐波系數實測與仿真結果如圖9所示，實測與仿真吻和良好。在1.0~3.5 GHz頻帶內，天線的駐波系數小于2。將兩個天線樣機端對端放置，采用雙天線法對天線的增益進行了測試。天線增益測試結果與仿真結果比較如圖10所示。實測結果與仿真結果趨勢一致，在個別頻點低于仿真值。這是因于天線測試時環境噪聲、測試平臺反射等因素所導致。將兩個天線樣機置于自由空間中，端對端相隔0.78 m放置，通過矢量網絡分析儀的時頻轉換功能測量天線的時域特性。天線群時延測試結果如圖11所示，在1.0~ 3.5 GHz頻帶內，群時延保持平坦，基本保持在5 ns。這說明天線具有良好的傳輸特性，能夠輻射低振鈴的時域波形。圖12為天線時域輻射波形測試結果。圖12(a)為矢量網絡分析儀源波形，圖12(b)為天線輻射波形。從圖中可以看出，該天線的時域波形具有較低的拖尾振鈴，說明該天線能夠較好地應用于脈沖體制雷達中。

圖3 駐波系數仿真結果 圖4 天線增益仿真結果 圖5 天線在2 GHz頻點yoz面方向圖仿真結果

圖6 3 天線在3 GHz頻點yoz面方向圖仿真結果 圖7 天線在2 GHz頻點xoz面方向圖仿真結果 圖8 天線在3 GHz頻點xoz面方向圖仿真結果

4 結論

本文在優化常規平面端射漸變槽天線基礎上，對天線臂進行柵形開槽處理，并在天線末端增加周期結構。利用電磁仿真軟件，對天線的駐波系數以及輻射特性進行了分析。仿真結果表明，漸變槽天線經過柵形開槽處理后，天線波束得以銳化，副瓣和后向輻射得到抑制，天線的增益得到了提高。天線臂末端的周期結構，可以進一步改善天線的前后輻射比和增益。為了驗證設計思想，加工了一對天線并對其測試。測試與仿真結果吻合良好。測試結果表明，該天線在結構緊湊的前提下，柵形開槽和周期結構改善了天線增益。在0.5~1.8 GHz頻段，增益提高近3 dB。在1.0~3.5 GHz內，天線駐波系數小于2。將一對天線端對端進行測試，測試結果表明天線的傳輸函數具有平坦的群時延。天線的時域輻射波形也具有較低的拖尾振鈴。該天線具有低剖面、高增益、時域特性良好的特點，可以應用于脈沖體制陣列雷達應用中。

圖9 VSWR實測與仿真結果比較 圖10 天線增益實測與仿真結果比較

圖11 實測群時延 圖12 實測時域波形

[1] LESTARI A A, BHARATA E, SUKSMONO A B,. A modified bow-tie antenna for improved pulse radiation[J]., 2010, 58(7): 2184-2192. doi: 10.1109/TAP.2010.2048853.

[2] LESTARI A A, YAROVOY A G, and LIGTHART L P. RC-loaded bow-tie antenna for improved pulse radiation[J]., 2004, 52(10): 2555-2563. doi: 10.1109/TAP.2004.834444.

[3] LESTARI A A, YAROVOY A G, and LIGTHART L P. Adaptive wire bow-tie antenna for GPR applications[J]., 2005, 53(5): 1745-1754. doi: 10.1109/TAP.2005.846726.

[4] SHAO Jinjin, FANG Guangyou, JI Yicai,. Semicircular slot-tuned planar half-ellipse antenna with a shallow vee-cavity in vital sign detection[J].&, 2014, 7(3): 767-774. doi: 10.1109/JSTARS.2014.2303197.

[5] WANG Youcheng, FANG Guangyou, ZHANG Feng,. RC-loaded planar half-ellipse antenna for impulse radar application[J]., 2015, 51(23): 1841-1842. doi: 10.1049/el.2015.2412.

[6] 邵金進, 紀奕才, 方廣有, 等. 一種用于生命探測雷達的超寬帶天線[J]. 電子與信息學報, 2014, 36(2): 471-475. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00499.

SHAO Jinjin, JI Yicai, FANG Guangyou,. An ultra- wideband antennas for life detection radar[J].,2014, 36(2): 471-475. doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00499.

[7] CHANG T and BURNSIDE W D. An ultrawide-bandwidth tapered resistive TEM horn antenna[J].&, 2000, 48(12): 1848-1857. doi: 10.1109/8.901273.

[8] LEE R T and SMITH G S. A design study for the basic TEM horn antenna[J]., 2004, 46(1): 86-92. doi: 10.1109/MAP.2004.1296150.

[9] SHLAGER K L, SMITH G S, and MALONEY J G. TEM horn antenna for pulse radiation: An optimized design[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, Newport Beach, CA, USA, 1995，228-231. doi: 10.1109/APS. 1995. 530002.

[10] ELSHEAKH D M and ABDALLAH E A. Novel shapes of vivaldi antenna for Ground Penetrating Radar (GPR)[C]. 7th European Conference in Antennas and Propagation (EuCAP), Gothenburg, Sweden, 2013: 2886-2889.

[11] KIKUTA K and HIROSE A. Compact folded-fin tapered slot antenna for UWB applications[J]., 2015, 14: 1192-1195. doi: 10. 1109/LAWP.2015.2397008.

[12] SHAO Jinjin, FANG Guangyou, JI Yicai,. A novel compact tapered-slot antenna for GPR applications[J]., 2013, 12: 972-975. doi: 10.1109/LAWP. Sweden, 2013.2276403.

[13] WANG Youcheng, ZHANG Feng, FANG Guangyou,. A novel ultrawideband exponentially tapered slot antenna of combined electric-magnetic type[J]., 2016, 15: 1226-1229. doi: 10. 1109/LAWP.2015.2502608.

[14] WANG Zedong, YIN Yingzeng, WU Jianjun,. A miniaturized cpw-fed antipodal vivaldi antenna with enhanced radiation performance for wideband applications[J]., 2016, 15: 16-19. doi: 10.1109/LAWP.2015.2425735.

[15] CHEN Nanwei, CHUANG Chaotang, and SHI Jinwei. A w-band linear tapered slot antenna on rectangular-grooved silicon substrate[J]., 2007, 6: 90-92. doi: 10.1109/LAWP.2007. 893067.

[16] CHEN Lei, LEI Zhenya, YANG Rui,. A broadband artificial material for gain enhancement of antipodal tapered slot antenna[J]., 2015, 63(1): 395-400. doi: 10.1109/TAP.2014. 2365044.

[17] PRASAD S N and MAHAPATRA S. A novel mic slot-line antenna[C]. IEEE 9th Microwave Conference, Brighton, UK, 1979: 120-124. doi: 10.1109/EUMA.1979.332685.

王友成： 男，1986年生，博士生，研究方向為時域超寬帶雷達天線設計及應用.

董明宇： 女，1987年生，碩士，研究方向為電力及自動化控制.

張 鋒： 男，1984年生，博士，研究方向為超寬帶天線理論及應用.

葉盛波： 男，1984年生，博士，研究方向為基于FPGA探地雷達系統設計.

紀奕才： 男，1974年生，博士，研究方向為超寬帶天線、計算電磁學、超寬帶雷達.

方廣有： 男，1963年生，博士，研究員，研究方向為超寬帶雷達成像理論、方法與技術，月球與深空探測科學載荷技術，探地雷達、地球物理電磁勘探、太赫茲成像等方法與技術.

張曉娟： 女，1964年生，研究員，研究方向為非均勻媒質電磁散射與逆問題、微波成像新方法及應用、電磁遙感機理、電磁遙感信號處理、電磁遙感系統仿真、天線技術.

Design of Tapered-slot Antenna with Optimized End-fire Characteristics

WANG Youcheng①②DONG Mingyu③ZHANG Feng①YE Shengbo①JI Yicai①FANG Guangyou①ZHANG Xiaojuan①

①(,,100190,);②(,100049,);③(,100085,)

Based on optimized geometry structure of tapered slot antenna, an end-fire printed antenna is designed with rectangular-grooved and periodic structure. Its effects on the radiation pattern of antenna is studied and simulated. From 1 GHz to 3.5 GHz, those structures improve the end-fire characteristics of the antenna obviously. Finally, pairs of antennas are constructed and measured. The measured results show that VSWR is smaller than 2 and the gain is approximately equal to 7 dBi from 1 GHz to 3.5 GHz. The measured transfer characteristics results show that the antenna achieves a stable group delay and a low late-time ring. The antenna can be applied to the impulse radar.

Antenna; Tapered-slot; Gain; Compact

TN957.2

A

1009-5896(2017)01-0124-05

10.11999/JEIT160203

2016-03-03；改回日期：2016-07-05；

2016-09-30

王友成 wangyoucheng99@163.com

國家863計劃項目(2012AA061403)，北京交通行業科技項目(7C1405473)

The National 863 Program of China (2012AA 061403), The Technical Program of Beijing Transportation Industry (7C1405473)