Vivaldi天线及其改进方法的仿真研究

张宏翔

(西南林业大学 计算机与信息学院，云南 昆明 650224)

作为渐变槽线天线中的代表性类型，1979年由GIBSON P J提出的指数渐变槽线天线(Vivaldi)具有宽频带、高增益、波束对称和容易集成等特点[1]。但是目前国内、外对这种天线的研究大多集中在UWB规定的频段，对UHF波段的应用还没有深入研究[2-4]。本文设计一种UHF频段的轻型化、高增益、宽频带的 Vivaldi天线，能有效覆盖多个频段。

1 Vivaldi天线的结构参数及仿真计算

根据要设定的工作频率选取适当的介质基板，并确定其厚度。根据制作经验和材料成本，本文采用介电常数4.4,损耗正切0.02的FR-4即玻璃纤维环氧树脂覆铜板，基板长 L为 360 mm，宽 W 为 320 mm，厚度 h为2 mm，通过公式(1)可得有效介电常数 εe为4.33。

本文对传统设计进行了改进，通过仿真实验，槽线的宽端开口H约为六分之一介质波长68.5 mm时，天线在350 MHz时的特性没有受到明显影响，而且也能有效地减少介质基板的尺寸。而槽线窄端开口WSL考虑加工精确度取1.4 mm。微带馈线宽度与扇形短截线、圆形谐振腔各参数利用仿真软件优化，最后确定整个天线的结构参数如表1所示。

表1 UHF波段Vivaldi天线的结构参数 (mm)

通过Ansoft HFSS 11软件建立UHF波段Vivaldi天线模型，介质基板正面为带指数渐变槽线、等宽度槽线和圆形谐振腔的金属层，背侧为微带馈线和扇形微带短截线组成的馈电结构。根据该模型计算得到的驻波比如图1所示。

由于有限元算法只有在相邻未知量之间才发生直接相互作用，仿真时设置的频率范围越大，离中心频率越远，误差越大。因此，AnsoftHFSS11宽带仿真时，需将扫频范围划分为若干段分别进行仿真，确保数值色散误差值降到最小。天线的仿真频率范围设置为 200 MHz～400 MHz、400 MHz～700 MHz、700 MHz～900 MHz和900MHz～1.3GHz。从驻波曲线合成图(图1)中可以看出，在频率范围的结合部驻波曲线一般是不连续的，进一步说明了前面关于有限元算法的误差问题。天线在200MHz～1.3GHz频段上VSWR均在2.5以下，可基本满足工程需要。特别地，在655MHz和960MHz附近,驻波分别达到1.035和1.0611。

2 加载栅栏Vivaldi天线的仿真分析

通过对前面仿真数据的分析，发现天线的理想谐振频率发生频率偏移往高频端走，需要通过改变结构来拉低谐振频段。本文根据参考文献[5]中的方法，在不改变原设计尺寸的前提下，在天线金属贴片两侧开上多条几何对称栅栏，以改善天线在低频端的VSWR特性，提高天线增益。

栅栏的深浅会影响金属表面电流的分布，栅栏太深会使电流从中间的渐变段直接流向栅栏，向侧翼辐射，从而影响主方向上的辐射效果。但深度不够对改善天线辐射、提高增益效果不明显，所以栅栏深度的选择很重要。从天线渐变槽线的结构分析可知，离谐振腔位置较近的中间槽线部分附近的电流分布较多，而槽线宽端离馈电结构稍远，电流分布相对较少些，应尽量不破坏。为改善低频端性能，在天线金属贴片两侧开不同深度的栅栏，中间段的栅栏深度较深是为了把电流尽可能地集中在槽线上。靠近最大开口处的栅栏深度较浅是为了不破坏渐变槽终端的电流分布。

通过对栅栏的数目、宽度、深度以及位置的不断优化，最后确定天线形式如图2所示。第一个栅栏距渐变槽线终端为30 mm，每个栅栏的宽度均为 30 mm，其深度依次为90 mm、115 mm和140 mm。从仿真计算中可以证实栅栏可抑制边缘电流，并减少边缘处的电场强度，可有效改善天线的整体辐射特性。

图3为结构改进前后天线驻波对比图(实线为加栅栏，虚线为未加栅栏)。可以看出，天线的VSWR特性得到显著的改善。从305 MHz到1 GHz的频段内，VSWR值均小于 2，而在 340 MHz时其驻波值最低为1.08,在 350 MHz处为1.1。与结构改进前相比，改进后的结构在中间频段800 MHz附近的驻波值得到了极大改善。此外，在微波通信1.2 GHz时，VSWR值变为1.3，在可接受的范围内。所以，加栅栏后的天线驻波特性得到较好的改善。

在不同频点金属贴片上的电流分布情况，如图4所示。在350 MHz时，栅栏上特别是最深的栅栏处电流分布较多，渐变槽线附近的电流被部分分散，这是因为低频端电长度相对较小，使得行波效应不明显，如图4(a)。随着频率的升高，天线的电长度增大，这时天线的电流就集中在渐变槽线附近，行波效应就明显，同时栅栏的辐射效果随着频率的升高逐渐减弱,如图4(b)、(c)所示。

天线的端射性能良好，主波束较宽，尾瓣稍显大。加载栅栏后天线的驻波(VSWR)值和增益(gain)值见表2所示。

从图2可以看出,天线金属贴片两侧的几何栅栏深浅不一，两边呈对称的梯形，栅栏的间距远小于四分之一波长，使得天线两边形成有规则的偶极子阵。靠近天线馈电结构的栅栏起到反射作用，离槽线最大开口处近的栅栏起到引向作用。由此，渐变槽线处的辐射和两边的栅栏辐射一起叠加形成整个天线的辐射。这两种辐射都具有端射的效果，从而极大地改善了天线低频端的特性。

3 尾部加抗流栅栏Vivaldi天线的仿真分析

通过在天线金属贴片两侧开多条对称几何栅栏的方法有助于改善天线的辐射性能。不过，通过对天线E面辐射方向图的研究，发现天线的尾瓣较大。结合前面改进的经验，可对天线结构做进一步改进，以减小后向辐射的尾瓣，进而提高天线的前向辐射性能。改进后天线的模型如图5所示：(1)在天线金属贴片的根部开纵向栅栏，形成尾部的抗流结构，将金属贴片根部的电流束缚到槽线上，减少天线的后向辐射，提高辐射的前后比；(2)同时相应地调整横向栅栏的数目、位置、宽度和深度。结合仿真软件对栅栏参数进行优化，以实现最佳的辐射方向图，优化后的参数值见表3所示。

表3 天线尾部抗流槽线的参数表 (mm)

图6绘制了天线加载横向栅栏以及纵向尾部栅栏前后驻波值的变化情况。在低频端350 MHz和高频端1.2 GHz时，天线前后两次结构改进的VSWR值相差不大,分别为1.08和1.19。但加尾部抗流栅栏使得中间频段830 MHz处的驻波特性得到显著改善，驻波值可降到1.5左右。而在1.2 GHz附近的驻波特性依然保持在1.19。从整体上看在320 MHz～1 GHz频率范围内均小于2，第二次改进的结构使天线的驻波特性要优于前面两种结构。

加载尾部抗流栅栏的天线结构对远场辐射改善也很明显。在低频端的350 MHz处天线的E-面和H-面均有良好的端射特性，增益提高近1.5 dBi，尾瓣明显被压缩，E-面半功率波瓣宽度变宽 10°，H-面波束变宽 20°。中间频段的830 MHz处天线的E-面主瓣宽度不变，H-面主瓣宽度增加了10°左右，增益提高 0.8 dBi。而在1.2 GHz处的尾瓣压缩明显，相应E-面主波束宽度变宽4°，H-面为 12°，增益提高了 0.5 dBi，天线改进前后远场方向图的参数比较列于表4。其中，第二次改进的天线结构前后辐射比要好于第一次改进，说明加载尾部抗流栅栏对减弱天线后向辐射有明显作用。

本文选取渐变槽线天线作为研究对象，利用Ansoft HFSS 11仿真软件对设计天线进行了大量的仿真计算。通过分析天线表面的电流分布，对天线结构进行了优化与改进，提出了在金属贴片上开几何对称栅栏和加载尾部抗流结构的方法，提高了天线的增益，改善了整体的电性能，同时确保了天线的宽频带特性。

表4 天线辐射特性数值对比表

[1]GIBSON P J.The Vivaldi aerial[C].Proc,9th European Microwave Conf.,Brighton,U.K.,1979:101-105.

[2]DJUKNIC G M,FREIDENFELDS J,OKUNEV Y.Establishing wireless communications services via high-altitude aeronautical platforms:a concept whose time has come[J].IEEE Commun.Mag.,1997,35(9):128-135.

[3]NIU Z,JIN R.R＆D progress on stratopheric communication systems in china[C].Proceeding on the 4th stratospheric platform systems workshop,SPSW 2003.

[4]STUTZMAN W L,THIELE G A.Antenna theory and design[M].POSTS TELECOM PRESS,2006.

[5]LIM T G,ANG H N,ROBERTSON I D,et al.Tapered slot antenna using photonic bandgap structure to reduce substrate effects[J].Electronics Letters,2005,41(7):393-394.