超宽带低剖面Half?Vivaldi端射天线孔径设计

金荣 李思佳 张国雯 王平禄

摘  要： 为了减小天线剖面，以满足实际工程应用需求，在传统Vivaldi天线的基础上，根据其工作机理和镜像原理，设计垂直极化端射的超宽带低剖面Half?Vivaldi天线孔径。该天线孔径由Half?Vivaldi天线和金属地板组成，与Vivaldi天线相比，设计的天线孔径具有明显的小型化效果。仿真优化了天线孔径的相关参数，仿真结果表明，天线在2.99～18.3 GHz频带范围内满足电压驻波比小于2，相对带宽达143.66%;天线在2.99～17.1 GHz频带范围内，随着频率升高增益逐渐增大，整个频段天线增益都保持在4.3 dBi以上，最高可达10.3 dBi。

关键词： Half?Vivaldi天线; 天线孔径; 超宽带; 端射; 垂直极化; 天线剖面减小

中图分类号： TN82?34                         文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2019）13?0038?04

Design of ultra?wideband Half?Vivaldi antenna aperture

with low profile and end?fire radiation

JIN Rong1， LI Sijia2， ZHANG Guowen2， WANG Pinglu2

（1. The Seventh Military Representative Office of Air Force Stationed in Xian， Xian 710068， China;

2. School of Information and Navigation， Air Force Engineering University， Xian 710077， China）

Abstract： In order to reduce the profile of antenna， and satisfy the demand of practice engineering application， an ultra?wideband Half?Vivaldi antenna aperture with low profile and vertical polarization end?fire radiation is designed according to its working mechanism and mirror principle. The antenna aperture is composed of Half?Vivaldi antenna and metallic ground plate， and has smaller size than the Vivaldi antenna. The relevant parameters of the antenna aperture are optimized with simulation. The simulation results show that the antenna working in the bandwidth of 2.99～18.3 GHz can maintain the voltage standing wave ratio less than 2 and obtain the relative bandwidth of 143.66%， the gain of the antenna working in the bandwidth of 2.99～17.1 GHz is gradually enhanced with the increase of frequency， and the gain of the antenna working in whole bands is higher than 4.31 dBi， which can reach up to 10.3 dBi maximum.

Keywords： Half?Vivaldi antenna; antenna aperture; ultra?wideband; end?fire radiation; vertical polarization; antenna profile reduction

0  引  言

随着无线通信应用领域的不断拓展和军事技术的飞速发展，天线越来越广泛地运用于飞机、导弹、火箭等特定载体的雷达系统中，而这类系统不仅要求天线体积小、重量轻、与载体良好共形，还要能有效防止载体自身对天线性能产生影响。由于端射天线在主波束方向上没有与天线方向性成正比的口径大小，适合于较小风阻的应用场合[1?2]。

Vivaldi天线最早由Gibson教授于1979年提出[3]。该天线因其具有超宽带、增益适中、波束可调、结构简单和尺寸小等优点，受到了人们的青睐。因而广泛应用在探地雷达、遥感、超宽带通信系统、宽带相控阵和射电天文等领域[4?5]。但传统的Vivaldi天线尺寸较大，很难满足实际机载、弹载等飞行器平台的应用需求。

为了满足应用需求，在传统Vivaldi天线的基础上，根据其工作机理和镜像原理，设计垂直极化端射的超宽带低剖面Half?Vivaldi天线孔径。仿真结果验证了天线孔径优异的超宽带辐射特性，同时该天线具有明显的小型化效果。

1  Half?Vivaldi天线孔径设计

Vivaldi天线属于渐变缝隙天线的一种，广泛应用于超宽带天线设计中，槽线外形按指数函数变化是其主要特点。因为Vivaldi天线的辐射槽线由窄逐渐变宽，随着工作频率的变化，电磁波辐射区域也相应改变，槽线的开口宽度与天线辐射波长相对应。在工作频带范围内，该天线的输入阻抗和辐射方向图基本保持不变，因此其表现出超宽带特性。根据Vivaldi天线工作机理和电磁镜像理论设计Half?Vivaldi天线孔径。图1为设计的Half?Vivaldi天线孔径结构示意图。将Half?Vivaldi天线置于金属平面上，构成Half?Vivaldi天线整体，如图1a）所示。天线两层辐射贴片的中间层是相对介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板，天线的金属辐射贴片在介质板的正面和背面，结构对称，其边缘均符合对称指数曲线。天线孔径辐射贴片的具体结构如图1b）所示。介质板中间为扇形馈电结构，50 Ω的标准SMA头内芯穿过金属地板与扇形微带线馈电结构相连。天线孔径的馈电结构如图1c）所示。

图1  Half?Vivaldi天线孔径

与Vivaldi天线具有近似的工作原理，Half?Vivaldi天线孔径工作带宽和所能辐射出的电磁能量主要由指数渐变槽线的开口宽度决定。当槽线开口相对较小时，辐射槽线就会对电磁能量起到束缚作用，此时天线只有很小的辐射;而当开口宽度增大到接近[12]谐振波长时，辐射槽线的束缚能力将会变弱，电磁能量可以很好地辐射出去。同时，介质基板的相对介电常数越大对电场的束缚能力越强，因此，Half?Vivaldi天线孔径要采用低介电常数的介质板，以减小其对电场产生的约束。在Half?Vivaldi天线孔径当中，天线孔径的金属辐射贴片表面电流沿槽线边缘的窄端流向宽端方向，电磁能量逐渐向外辐射。因此天线的辐射特性与电流的流动密切相关[6?9]。

图2 天线孔径槽线部分的参数仿真优化

2  仿真优化与性能分析

为了获得超宽带的阻抗匹配效果和较好的端射效果，这里优化了天线孔径辐射贴片槽线部分参数，具体包括开口槽宽端宽度[W2]、开口槽窄端宽度[Ws]、半圆形谐振腔的半径[Dr]、开口槽线指数函数的渐变率[δ]。

如图2所示为天线槽线部分的参数仿真优化结果。在优化中，保持天线的尺寸不变，仿真比较开口槽宽端宽度[W2]取不同值时的回波损耗曲线。开口宽度[W2]从6～12 mm进行参数扫描分析，从图2a）可以看出，随着[W2]增大，天线的阻抗匹配特性呈现出先下降后抬升的趋势，天线工作频带逐渐向低频端扩展。当[W2]增大到一定程度低频处工作频带不再展宽，高频处工作频带开始缩减，在[W2]=10 mm时匹配性能最好，且带宽最宽。仿真比较了开口槽窄端宽度[Ws]对天线回波损耗的影响，从图2b）可以看出，[Ws]对天线高频处匹配特性影响较大。随着[Ws]的增加，高频部分的工作带宽有所扩展，但是也出现了曲线向上抬升的现象。综合考虑当[Ws]=0.4 mm时天线匹配性能最好。仿真比较半圆形谐振腔半径[Dr]取不同值时天线的回波损耗，如图2c）所示，可以看出，[Dr]对天线低频处的匹配特性影响较大，随着[Dr]增大，天线的低频匹配逐渐变好。仿真比较开口槽线指数函数的渐变率[δ]对天线回波损耗的影响，如图2d）所示。

可以看出随着[δ]增大，天线的低频端匹配性能逐渐变好，但随着[δ]进一步增大，中间频带反射系数曲线逐渐升高，天线匹配性能开始变差，这是因为天线开口槽线越平缓，越有助于电磁能量向外辐射，但是增大到一定程度会影响天线阻抗匹配特性。综上分析可知槽线部分的各参数主要影响天线的阻抗匹配。

图3 不同δ 时天线孔径辐射方向图仿真优化

为了获得较好的端射辐射效果，这里重点优化开口槽线指数函数的渐变率[δ]。在[δ]取不同值时，天线孔径在3 GHz，6 GHz，9 GHz，12 GHz，15 GHz和18 GHz各个频点时的二维辐射方向图如图3所示。图3a）为天线孔径[xOz]面方向图，图3b）为天线孔径[xOy]面方向图。

从图3可以看出，[δ]的变化对天线低频段方向图影响不大，但对天线高频段方向图影响较为明显，[xOz]面和[xOy]面都表现出随着[δ]增大方向图后瓣逐渐增大的现象，但仍然保持较好的方向图一致性。

结合回波损耗随[δ]的变化规律，这里折衷考虑选取[δ=0.4]。通过调节参数[δ]的取值，能够有效增长电流路径，改善天线辐射性能，尤其是天线的端射效果。

通过仿真优化，确定最优参数值[d=]18.4 mm，[W1=]12 mm，[W2=]10 mm，[La=]9 mm，[Lb=]4 mm，[Ws=]0.4 mm，[Dr=]1.3 mm，[Rr=]4.4 mm，[Ld=]7.4 mm，[Wst=]2.6 mm，[θ=]90°。优化后的Half?Vivaldi天线孔径的仿真驻波比和增益曲线如图4所示。

图4  优化后Half?Vivaldi天线孔径的驻波比和增益

天线在2.99～18.3 GHz频带范围内满足VSWR<2，相对带宽达143.66%。天线在2.99～17.1 GHz频带范围内随着频率升高增益逐渐增大，整个频段天线增益都保持在4.3 dBi以上，最高可达10.3 dBi。

图5和图6分别为优化后天线孔径在3 GHz，8 GHz，13 GHz和18 GHz处的[xOz]面、[xOy]面仿真的辐射方向图。可以看出，随着频率的升高，天线波束宽度逐渐变窄，增益逐渐增大，在低频段的天线方向图上翘比较严重，随着频率的升高天线方向图上翘角度逐渐变小，端射效果增强。

综上分析可以看出，设计的Half?Vivaldi天线孔径具有超宽带端射特性，同时由于比Vivaldi天线减小了一半的高度，因此具有明显的小型化效果。

3  结  语

本文在传统Vivaldi天线基础上，设计超宽带低剖面端射Half?Vivaldi天线孔径。仿真优化了天线孔径的相关参数，验证了Half?Vivaldi天线孔径优异的辐射性能。本文的研究对于超宽带低剖面端射天线设计具有重要的借鉴作用。

图5  仿真的[xOz]面方向图

图6  仿真的[xOy]面方向图

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