一种超宽带高增益对踵Vivaldi天线

陈军 万发雨

0 引言

随着国内外无线通信的传输速度不断地提升,微波天线的带宽和辐射特性都面临较高的需求．在众多天线中,Vivaldi天线备受国内外专家的青睐,它最早是由Gibson[1]提出的,实际为一种指数渐变槽线的平面印刷天线[2]．Hood等[3]基于传统对踵Vivaldi天线设计了两种天线,但是这两种天线的增益均较低,阻抗带宽只有7.5 GHz．Anu等[4]采用增加树状指数槽线的技术来提升Vivaldi天线的频宽和频段内增益,但由于设计比较复杂,制作难度大．Reddy等[5]通过切割Ω型槽线设计了一种陷波型Vivaldi天线,带宽为8 GHz．Dastranj[6]将天线左右两端的4个边缘直角切圆,进而提升天线辐射特性,其带宽为12 GHz,最高增益为8.4 dB．Teni等[7]在对踵Vivaldi天线的两端和前方均增加矩形槽线,从而优化低频带宽，提高天线的整体带宽,并在天线辐射方向增加了一个半圆形介质基板以便提升天线增益,最终打造了一种增益高达8.5 dB的对踵Vivaldi天线．徐国建等[8]在传统Vivaldi天线的两端切割树杈形槽线,提高5.4 GHz频点处的增益,但是驻波比小于2的频段仅3.4～7.6 GHz．岳新东[9]通过在传统对踵Vivaldi天线背面加载矩形地板,并延伸介质板的宽度,从而提升天线增益,最高增益高达8 dB,带宽为9 GHz．柏艳英[10]以对踵Vivaldi天线为天线单元,通过镜像法布阵设计了一款超宽带相控阵天线．蔺炜[11]在直径为4 mm的圆形介质板上设计了一款高增益天线．王轶珏等[12]采用分段线的负μ传输线加工了两个宽带天线．由上述文献可以看出,近年来大部分Vivaldi天线的带宽和增益均不高,并且未关注到E面方向图的对称性和峰值角度偏移问题．

本文对传统对踵Vivaldi天线进行改进,设计了一种带宽3.3～40 GHz的新型超宽带高增益对踵Vivaldi天线,该天线介质板两侧采用相同的辐射结构,在天线辐射方向添加一块梯形结构介质板,将天线正反两面的表面电流限制在天线辐射方向,既可以矫正E面方向图的增益峰值偏移角度,也可以提升天线辐射强度．该新型对踵Vivaldi天线的尺寸为57.5 mm×60.7 mm,在厚度为0.508 mm的Rogers RO4003C介质板上制作．实测结果显示,3.3～40 GHz带宽内的驻波比(VSWR)均小于2,倍频带宽大于12,增益为1.0～12.6 dB．该天线的E面方向图对称性好,并具有交叉极化比小、易于设计、成本低廉等特点,在超带宽、高增益的天线领域具有较高的应用价值．

1 理论分析

为满足天线超带宽、低驻波、高增益的设计要求,本文在传统对踵Vivaldi天线的基础做了一些改变,介质板两侧的辐射贴片采用相同结构,均由一个微带线和两条指数型槽线构成,从而修正天线E面方向图不对称性,并提高天线增益特性．其结构示意如图1所示．介质板为介电常数3.38的Rogers RO4003C板材．该天线易于设计、成本低廉,采用50 Ω同轴接头馈电．

图1 对踵型Vivaldi天线Fig.1 The antipodal Vivaldi antenna (antenna 1)

由于对踵型Vivaldi天线没有准确的经验公式可供参考,本文通过数学公式来确定天线的初步尺寸,其内外指数渐变槽线的尺寸通过式(1)和(2)表示为

yi=C1ie(FixiSi)+C2i,

(1)

yo=C1oe(FoxoSo)+C2o,

(2)

式中,xi和yi分别表示内指数渐变线的x坐标和y坐标,xo和yo分别表示为外指数渐变线的x坐标和y坐标,单位均为mm．C1i,C2i,Fi,Si为内指数渐变槽线表达式(1)的系数,C1o,C2o,Fo,So为外指数渐变槽线表达式(2)的系数,e是自然对数底．

2 新型对踵Vivaldi天线的设计

为了进一步提高天线辐射特性,本文在天线辐射方向上增加了一块梯形结构介质板,增加梯形结构介质板可以将表面电流限制在天线的辐射方向,既可以矫正天线E面方向图的峰值偏移角度,也可以提高天线增益特性．其结构如图2所示．

图2 新型对踵Vivaldi天线Fig.2 The novel antipodal Vivaldi antenna (antenna 2)

采用HFSS软件对天线的指数槽线、梯形结构介质板和微带线的进行优化,确定了整个天线各参数的尺寸,如表1所示.

表1 天线结构尺寸

采用HFSS软件分别对图1和图2所示两种天线的表面电流进行仿真研究,得到如图3所示的天线表面电流分布．由图3a可知:两个天线在10 GHz的电流强度基本相似．由图3b—3d可知:增加梯形结构介质板后,天线在梯形结构介质板上(区域O处)的电流强度较大,并且表面电流主要集中在天线辐射方向上,特别是20、30和40 GHz三个频点,天线辐射方向上的电流非常集中;而未增加梯形结构介质板时,区域O处的表面电流大致是向两边扩散的．基于图3所示的天线表面电流分布情况,可以得出:增加梯形结构介质板可以将表面电流限制在天线的辐射方向,既可以矫正天线E面方向图的峰值偏移角度,也可以提高天线的增益特性．

图3 天线表面电流分布Fig.3 Current distribution on antenna 1 (left) and antenna 2 (right) surface

分别对图1和图2所示两个天线进行驻波比(VSWR)和增益(Gain)仿真研究,得到的VSWR仿真结果如图4所示．由图4可以发现,两种天线的驻波仿真结果在2～40 GHz频段内基本一致．图5为这两个天线的Gain仿真结果．由图5可以发现,增加梯形结构介质板后,该天线在20～40 GHz频段内的辐射增益有所提升,尤其是在40 GHz时增益值提升了约6 dB,这是增加梯形结构介质板,将天线表面电流限制在辐射方向所致．

图4 驻波比仿真结果对比Fig.4 Comparison of the simulated VSWR results

图5 增益仿真结果对比Fig.5 Comparison of the simulated gain results

3 新型对踵Vivaldi天线的实验研究

对踵Vivaldi天线在厚度为0.508 mm的Rogers RO4003C板材上进行实物加工,天线的实物照片如图6所示,通过50 Ω的SMA同轴接头馈电．

图6 天线实物图Fig.6 Picture of the antenna

采用网络分析仪完成该对踵Vivaldi天线的VSWR测量,得到2～40 GHz频率范围内的VSWR实测值和仿真值对比如图7所示．由图7可以发现,天线在3.3～40 GHz频段内的VSWR小于2,VSWR实测值和仿真值大致相符,但是10 GHz以上的VSWE实测值略高于仿真值,这是因为高频段对天线加工偏差比较敏感导致的．同时基于图7可以发现:该天线带宽可以扩展到40 GHz以上的频段．

图7 VSWR仿真与实测对比Fig.7 Comparison between measured and simulated VSWR

在微波暗室中完成天线增益和方向图的测试,天线增益的实测值和仿真值如图8所示.从图8可以发现:2～40 GHz频率范围内的增益实测值为1～12.6 dB,在频点25 GHz处的增益达到最大,为12.6 dB．由于介质板以及SMA同轴接头在高频段的损耗较大,因此高频段增益的实测值略逊于仿真值, 但是整体的变化趋势是大致相似的．

图8 增益仿真与实测对比Fig.8 Comparison between measured and simulated gains

该天线在10、20、30和40 GHz四个频点的E面方向图如图9所示,两种天线的E面方向图电磁参数比较结果如表2所示,表中天线1为新型对踵Vivaldi天线,天线2为未加载梯形结构介质板的对踵Vivaldi天线．明显可以看出,天线1的E面方向图比较对称,而且辐射特性较好,四个频点的交叉极化比均小于-10 dB．并且天线1的E面方向图的峰值偏移角度较小,尤其是30～40 GHz高频段的偏移角度得到较好的矫正,几乎是零度．由图9可以看出,方向图仿真结果和实测结果存在差异,主要是加工误差、介质板的高频插损所致．由表2明显可以看出,新型对踵Vivaldi天线具有更好的方向性和更高的增益．

图9 天线的E面方向图Fig.9 Radiation patterns of the antenna at E-plane

表2 两种天线的电磁参数特性

4 总结

本文设计了一种带宽3.3～40 GHz新型超宽带高增益Vivaldi天线,采用对踵型结构,该天线介质板两侧采用相同的辐射结构,在天线辐射方向添加一块梯形结构介质板,将天线正反两面的表面电流限制在天线辐射方向,既可以矫正E面方向图的增益峰值偏移角度,也可以提升天线辐射强度．该新型对踵Vivaldi天线的尺寸为57.5 mm×60.7 mm,在厚度为0.508 mm的Rogers RO4003C介质板上制作．实测结果显示,3.3～40 GHz带宽内的VSWR均比小于2,倍频带宽大于12,增益为1.0～12.6 dB．该天线的E面方向图对称性好,具有交叉极化比小、易于设计、成本低廉等特点,在超带宽、高增益的天线领域有较高应用价值．