超宽带小型化对拓Vivaldi天线的设计*

张淑晨，李相辉，袁茂雲，方 宇，刘文超，徐 娟

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273165）

0 引 言

近年来，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。但是，随着无线通信的不断发展，人们的通信要求提出了更高要求，不但要求通信速率要高，而且通信质量的要求也较高。于是，Vivaldi天线应运而生。Vivaldi天线是一种超宽带、小型化天线，是渐变缝隙天线的一种特殊情况。Vivaldi天线呈指数状槽线[1]，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，易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优。

1 对拓Vivaldi天线

对拓Vivaldi天线虽然也是一种介质基板上的印刷结构，但与传统的经典Vivaldi天线不同。它的辐射金属贴片是被印刷在基板两面的，这样的结构是的阻抗更容易实现匹配。对拓Vivaldi天线由3部分组成，分别是辐射区、传输区和馈电区。在低频端，它可以被看成是谐振天线；在高频端，它可以被看成是非谐振的行波天线[2]。结构如图1所示。

图1 对拓Vivaldi天线结构

对拓Vivaldi天线的辐射机理[3]是电磁波在辐射贴片上沿着指数渐变线内边缘传播的，后两片金属上的能量又相互耦合产生辐射，在开口方向上产生最大辐射。此外，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相位相差180°。对拓Vivaldi天线表面电磁场分布如图2所示[4]。

图2 对拓Vivaldi天线辐射机理

2 小型化对拓Vivaldi天线

2.1 未加载对拓Vivaldi天线结果分析

天线采用的介质基板是Arlon AD600（tm），其相对介电常数为6.15，损耗角正切为0.003，厚度t为0.508 mm。图3中，参数W表示为天线整体宽度，W1为指数渐变线的开口宽度，H为天线高度，s为馈电端口的宽度，R1、R2分别为两指数渐变线的渐变率。

图3 未加载对拓Vivaldi天线结

利用Ansoft HFSS 13对图3天线进行仿真，经过适当分析调整W、W1、H、R1、R2的值，使天线的阻抗匹配达到最佳的同时，天线的增益达到最大[5]。

选取W=80 mm，W1=40 mm，H=70 mm，R2=0.6时，令R1为从0.06～0.12变化，间隔为0.02，其端口反射系数S11变化如图4所示。

可以看出，不同的指数渐变率R1对天线的端口反射系数S11有一定程度的影响。高频部分，R1越大越好[6]；低频部分，R1越小其曲线趋势越平缓。因此，要实现天线的小型化，最终折中考虑选择R1=0.08。

选取W=80 mm、W1=40 mm、H=70 mm、R1=0.08时，令R2为从0.4～0.1变化，间隔为0.2，其端口反射系数S11变化如图5所示。

图4 不同指数渐变率R1的反射系数

图5 不同指数渐变率R2的反射系数

可见，不同的指数渐变率R2对天线的端口匹配程度有一定的影响。在0.6～1时，R2越小越好，但是小到一定程度有恶化趋势，故最终选取R2=0.6。

选取W1=40 mm、H=70mm、R1=0.08、R2=0.6时，令W为从65～80 mm变化，间隔为5 mm，其端口反射系数S11变化如图6所示。

图6 不同的天线宽度的反射系数

可以看出，天线宽度W对天线的端口匹配程度有一定的影响。在整个频段内，随着W的变大，天线匹配越来越好，而根据实际情况最终选取W=80 mm。

选取W=80 mm、H=70mm、R1=0.08、R2=0.6时，令W1为从40～70 mm变化，间隔为10 mm，其端口反射系数S11变化如图7所示。

图7 不同的开口宽度的反射系数

可以看出，不同的W1对天线的端口反射系数亦有一定程度的影响。大体上在整个频段内，W1越大，端口匹配性能越差，故最终选取W1=40 mm。

选取W=80 mm、W1=40mm、R1=0.08、R2=0.6时，令H为从65～80 mm变化，间隔为5 mm，其端口反射系数S11变化如图8所示。

图8 不同的天线高度的反射系数

可以看出，参数H对天线的端口反射系数亦有一定程度的影响。大体上，在整个频段内，H越大，端口匹配越好，但同时考虑到空间、成本以及可靠性问题，最终选取H=70 mm。

最终经过优化和考虑到实际项目要求的空间尺寸控制，所得的天线的设计尺寸如表1所示。

表1 优化后的天线尺寸

2.2 对拓Vivaldi天线加载电阻结果分析

在传统Vivaldi天线的基础上，为了实现小型化且拓展低频带宽，在天线的两辐射贴片开口末端对称的加载两吸收电阻，并在电阻的另一端加载寄生贴片，吸收低频端多余的反射电流，改善驻波。

图9 加载电阻的Vivaldi天线结构

利用Ansoft HFSS 13对上述天线进行仿真，仿真结果如图10所示，是未加载的对拓Vivaldi天线与加载电阻的对拓Vivaldi天线的端口反射系数对比图。

由对比可以看出，在未加载电阻之前，天线的低频截止频率约在1.4 GHz，而在加载电阻之后，在高频段反射系数稍高，但仍然满足性能要求；低频端的截止频率拓展至1 GHz左右。

图11是未加载的对拓Vivaldi天线与加载电阻的对拓Vivaldi天线的增益对比图。

图10 加载电阻前后的天线对比

图11 加载电阻前后的天线增益对比

由对比结果分析得，在天线开口末端各加载100 Ω的电阻后，由于取值合适，天线的增益在全频段内并没有受到大的影响。

由仿真结果可以看出，加载电阻之后的天线辐射效率在全频段内几乎是小于未加载电阻之前的。这是一个非常合理的结果，因为电阻本身是一个损耗性器件。

3 结 语

本文设计了一款超宽带小型化的对拓Vivaldi天线，通过电阻加载的方式，实现了0.8～18 GHz即22.5倍频程的超宽带性能，且尺寸符合设计要求，横向尺寸仅为0.2个低频波长，实现了小型化。