基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计*

2018-12-19井甜甜赵建平

通信技术 2018年12期

张月，井甜甜，杨君，徐娟，赵建平

（曲阜师范大学，山东曲阜 273165）

0 引言

在过去的几十年里，无线通信成为发展最迅猛的领域之一。天线是无线通信系统中极其重要的部分，通信系统中的信号的接收和发送都离不开天线[1]。随着无线通信的不断发展，不但要求通信速率要高，而且通信质量的要求也较高。但是，由于用户数量的增加，加上频谱资源比较匮乏，实现天线的宽带化和小型化的必要性日趋明显[2]。Vivaldi天线是一种超宽带、小型化的天线，是渐变缝隙天线的一种特殊情况[3]。Vivaldi天线呈指数状槽线，结构较为简单，可直接印刷在介质基板上。Vivaldi天线的带宽很宽，但现实中会有很多因素限制其带宽，所以对拓Vivaldi天线应运而生。比起普通的Vivaldi天线，它的结构更紧凑，带宽更宽，容易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优[3]。为了提高天线的增益，可以靠加载零折射率超材料来实现。

1 对拓Vivaldi天线

对拓Vivaldi天线虽然与普通Vivaldi天线一样可以直接印刷在介质基板上，但是两者结构并不完全一样。对拓Vivaldi天线的金属贴片印刷在介质基板的两侧，可以更容易实现阻抗匹配[4]。图1是对拓Vivaldi天线的正视图，在介质板上下两侧各有一个金属贴片。

图1 Vivaldi天线正视图

一般情况下，指数渐变槽线的开口宽度是低频对应介质波长的一半。渐变槽线的长度是一个介质波长，这种情况下能获得良好的天线辐射特性[5]。分别计算确定槽线的长度和开口宽度初始值后，建立合适的坐标系，得出指数函数起止点P1(x1, y1)、P2(x2, y2)的坐标值。指数函数的表达式为：

系数c1、c2的表达式为：

天线设计采用相对介电常数为6.15的Arlon介质基板，厚度为0.787 mm，天线的最终尺寸为30 mm×40 mm，两指数线之间的开口宽度为15 mm，馈电口宽度为1.9 mm。对拓Vivaldi天线由馈电区、传输区和辐射区三部分组成。当天线处于低频时，相当于谐振天线；而天线处于高频时，可看作是一个行波天线，且处于非谐振状态[6]。

电磁波在辐射贴片上是沿着指数渐变线内边缘进行传播的，然后两片金属上的能量又相互耦合产生辐射，开口方向上的辐射最大。如图2所示，可以清楚看到电场的分布。

图2 对拓Vivaldi天线电场分布

对拓Vivaldi天线能够实现超宽带，主要是因为两臂上的行波电流的相位差为180°。但是，随着频率的升高，底层金属贴片的电磁波在传播过程中会出现相位反转现象，在辐射区终端的电流产生一些绕射波，导致出现部分增益被抵消、有副瓣产生。也就是说，高频时，辐射特性会变差。尽量使指数渐变槽线边缘过渡平滑，也就是增大指数渐变线曲率，可以改善这种情况[7]。

图3 对拓Vivaldi天线仿真结果

图3 是天线的仿真结果。可以看到，天线的工作频带很宽，实现了超宽带要求。但是，由于两个金属贴片在介质板两侧，金属贴片的异面会使天线有交叉极化的特性，容易在天线表面产生柱面波，辐射特性变差。为了改善这种情况，增加天线增益，可以加载零折射率的超材料。各向异性的超材料可以使天线近场的柱面波转换为平面波。

2 零折射率超材料

超材料是由在尺寸上远小于波长的结构单元构成的，可以近似当做均匀材料，由等效的介电常数和磁导率来完成[8]。折射率等于零的超材料可以汇聚波束，实现高增益的定向辐射。理论上，电磁波穿过超材料时相位是不变的[9]。图4是复合方形环超材料[10]的正视图，超材料由四个方形环和四个金属条组成，金属条宽度为0.6 mm，长度为3 mm，方形环环状部分宽度与金属条宽度一致，外环尺寸为3 mm×3 mm。