一种高增益Vivaldi超宽带天线

欧阳伟忠，周永刚，李博南，谢倩倩

(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京 210016)

Vivaldi天线是英国Philips研究室Gibson于1979年提出的一种指数渐变槽线天线［1］，此种天线槽线呈指数规律变化，属于行波天线，在不同的频率上，槽线不同部分发射或接收电磁波，因此理论上讲，它有很宽的带宽［2］。虽Vivaldi天线具有超宽带等特性，但定向性相对较差，且在工作频带的低端和高端增益下降明显。因此，目前众多学者始终致力于改善Vivaldi天线辐射性能的研究。

各向异性零折射率超材料结构(ZIM)［3］并不是自然界自然存在，而是由人工设计单元结构，并将其按照周期性排列，构造成各向异性零折射率透镜。该结构能将通过的球面波变换成平面波［4］，以此提高天线在高频段的增益和定向性［5］。

矩形槽缝结构(RSE)［6］，该种加载不仅可增加天线低频段的电流路径，也可使天线在口径处金属上的低频电流分布能够达到更加均匀的效果，这等同于使天线口径处场幅度更接近于均匀分布，从而提高天线在低频段的增益和定向性。

本文在传统Vivaldi天线设计的基础上，同时加载ZIM和RSE结构，并通过仿真优化，改善了天线工作频段高端和低端的辐射性能，从而在整个工作频段内提高天线的增益。

1 天线基本设计分析

1.1 传统Vivaldi天线

典型Vivaldi天线结构［7］如图1所示。该天线结构相对复杂，几何参数众多，特别是微带线和槽线馈电结构是设计重点，其尺寸数据直接影响天线的辐射性能。按照仿真设计经验，设计流程为:(1)设计具有稳定传输特性与较低损耗的宽带馈电巴伦。(2)将天线辐射部分与宽带巴伦联合仿真。(3)优化锥形槽指数曲线指数渐变率。指数渐变曲线可由式(1)确定

按照设计要求和以上设计原则，再经计算和HFSS软件建模仿真优化得到天线最终的结构参数，其中指数渐变率 α为0.045，常数c1=2.1，c2= －1.35。

图1 传统Vivaldi天线示意图

天线辐射和馈电单元结构相关参数如表1所示。

表1 天线尺寸参数 mm

1.2 加载ZIM与RSE结构

由于传统Vivaldi天线在频段两侧的增益不高，为了达到整个频段内天线的增益和定向性要求，通过加载零折射率超常介质(ZIM)和轴向边缘梳状结构的矩形槽缝结构(RSE)结构分别提高相关频段(9～11 GHz)与低频段(4～6 GHz)的增益。天线整体结构示意图与ZIM单元结构图分别如图2所示。

矩形槽缝结构(RSE)结构加载设计过程中，根据相关设计公式RSE长度近似为，其中 λl为低频截止频率的波长，εr为介质板材的介电常数。RSE宽度和间隔按照相关设计经验，一般约在2 mm，利用HFSS软件做相关优化扫描，最终得到了RSE结构的各个相关参数。

零折射率超常介质(ZIM)结构加载设计过程中，单元结构为下列的弯曲线，电场方向沿着横向方向，则会产生电响应，将其周期性排列既可以达到所需要的零折射率媒质，其等效介电常数可以控制，改变单元结构的大小和此种弯曲线的长度，再将其进行周期性的排列通过HFSS软件优化可得到相关弯曲线长度和周期排列方法。

图2 加载ZIM和RES的新型Vivaldi天线结构示意图

2 仿真及测试结果

2.1 天线实物制作

按照设计的Vivaldi天线尺寸，选取εr=2.2，采用厚度为1 mm的Rogers 5880板材制作该天线的两种试验样机，分别制作了传统的Vivaldi天线与加载两种新型结构的Vivaldi天线。传统与新型Vivaldi天线实物图的正反面示意图如图3和图4所示。

图3 两种Vivaldi天线正面示意图

图4 两种Vivaldi天线反面示意图

2.2 天线S1 1参数

传统的Vivaldi天线是一种平面喇叭天线，用平面传输线作为馈电端。文中设计并制作了一款工作频率在3～11 GHz的Vivaldi天线，其S11参数的仿真与测试结果如图5所示。由图5可看出仿真与测试结果基本吻合。

图5 传统Vivaldi天线S11参数

在上述传统Vivaldi天线的设计基础上，加载了ZIM结构和RSE结构，其仿真和测试结果如图6所示。传统天线和新型天线的S11参数都在－10 dB以下，均满足天线的匹配要求，两款天线S11曲线的仿真和实测结果吻合良好。在天线回波损耗参数上，实测数据达到了相关设计要求和指标。

图6 加载ZIM和RES的新型Vivaldi天线S11参数

2.3 天线增益以及方向图

根据上述结构，对新型和传统的Vivaldi天线主辐射方向增益以及方向图进行了仿真和比较，仿真比较结果如图7～10所示。由图7的对比可看出，当加载了ZIM和RSE结构后，主辐射方向上的增益得到了改善。天线工作频段内低频段4～6 GHz增益提高在2.5 dB以上，高频段9～11 GHz增益提高在1.5 dB以上，达到了文中对辐射增益的改善要求。

图7 传统与新型Vivaldi天线增益对比

文中进一步对比了典型工作频点上的方向图。从图8～11可看出，新型加载Vivaldi天线的半功率波瓣宽度(HPBW)较传统的Vivaldi天线明显变窄，半功率波瓣宽度(HPBW)在10.5 GHz频率处缩小了15°，在9.5 GHz频率处缩小了18°，定向性得到优化，达到了对定向性改善的要求。

图8 传统与新型Vivaldi天线方向图对比(10.5 GHz)

图9 传统与新型Vivaldi天线方向图对比(9.5 GHz)

3 结束语

设计并加工了具有超宽带特性的平面Vivaldi天线，同时，对传统Vivaldi天线进行了ZIM与RSE结构加载，经仿真优化，这两种结构提高了Vivaldi天线的方向性与增益，实测结果验证了其效果显著增强，天线性能得到提升。

［1］ Gibson P J．The Vivaldi aerial［C］．Paris:Microwave Conference，9th European，IEEE，1979:101 －105．

［2］ Gazit E．Improved design of the Vivaldi antenna［J］．IEEE Proceedings H，1988，135(2):89 －92．

［3］ Ma Y G，Wang P，Chen X，et al．Near－field plane－wave －like beam emitting antenna fabricated by anisotropic metamaterial［J］．Application Physics Letter，2009，94(7):926 －929．

［4］ Zhou Bin，Cui Tiejun．Directivity enhancement to Vivaldi antennas using compactly anisotropic zero－index metamaterials［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011(10):326－329．

［5］ Rizk Jad B，Rebeiz G M．Millimeter－wave fermi tapered slot antennas on micromachined silicom substrates ［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagatron，1987，35(11):1310－1313．

［6］ 边莉，黄玉琴，吴群．Vivaldi超宽带天线时域特性的FDTD分析［J］．黑龙江科技学院学报，2007(4):28－31．

［7］ Janaswmy R，Schaubert D H．Characteristic impedance of a wide slotline on low － permittivity substrates［C］．IEEE Transactions on MTT，1986，34(2):900 －902．