一种3D拱形高增益超宽带Vivaldi天线

2022-09-26王丽黎

西安理工大学学报 2022年2期

王丽黎，刘庆

(西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048)

近年来无线通信技术飞速发展，使天线在社会生活中的应用越来越广泛，各领域的种种需求也要求天线拥有更大的带宽和更高的速率。于是，在现有的窄带天线和单频带天线的基础上，提出了超宽带天线[1-2]的设计理念，为天线的发展提出了新的研究热点。超宽带天线具有频带覆盖广、制造成本低、抗干扰能力强[3]、传输效率高、体积小等特点和优点。在现如今无线通信迅速发展的环境下，应用于超宽带领域的天线，不仅需要拥有较高的增益，而且需要满足低成本、小尺寸、低损耗等特点。而Vivaldi天线作为一种高性能、小型化的超宽带天线，具有较宽的带宽和良好的辐射性能[4]，且符合现代通信设备追求的小型化、轻量化等特点。因此，Vivaldi天线在超宽带领域具有广泛的研究价值，也是本文研究的重点内容。

Vivaldi天线因其结构简单、工作频带宽、效率高、增益高而成为相控阵雷达、超宽带成像等宽带应用领域的首选[5]。1979年，Gibson最早提出了使用指数渐变曲线的锥削槽天线，被称为传统Vivaldi天线，属于渐变式、非周期、端射行波天线，通过指数渐变缝隙结构使电磁波从较窄的缝隙端向较宽的开口端辐射。为了提高天线的性能，通常采用在传统结构的基础上加载超材料[6]、引入缝隙结构[7]、加载介电透镜[8]等方式。文献[7]通过引入开槽设计和三角形引向器使2～4 GHz的增益最高达到6.7 dBi。文献[9]提出了混合式Vivaldi喇叭天线，通过在Vivaldi天线的外部围绕喇叭天线以提高了高频段增益。文献[10]提出了一种在接地层加载圆弧形反射器的对极型Vivaldi天线，最终得到的天线最高增益为5.6 dBi。上述文献在一定范围内提高了天线的增益，但是随着超宽带技术的发展，要求天线具有更高的增益和更优异的性能，因此迫切需要进一步的优化。

通过以上研究，本文提出了一种3D拱形Vivaldi天线，在3.7～14 GHz的宽频带中表现出了良好的辐射特性，峰值增益达到了10 dBi，平均效率也达到了95.2%。与文献[7]和[10]相比，它具有更宽的相对带宽和更高的增益，在通信系统和集成电路中具有重要的价值，尤其是在微波成像系统有更广泛的应用[11]。

1 天线设计

1.1 Vivaldi天线的基本结构

Vivaldi天线是一种具有弧线形槽线轮廓的缝隙结构天线，传统的Vivaldi天线结构示意图见图1，图1中黄色部分为金属层，蓝色部分为介质基板。

该天线是将金属层覆盖在介质板的两面，其中正面作为金属接地板，见图1(a)，在金属接地板上蚀刻出由圆形槽线开路腔、矩形槽线和指数渐变槽线三部分依次组成的金属缝隙结构。其中，圆形槽线开路腔用于阻抗匹配，矩形槽线与微带线相互耦合，使电磁波由圆形槽线开路腔沿着矩形槽线传播至指数渐变槽线，并由指数渐变槽线逐渐辐射至自由空间。反面作为馈电部分，Vivaldi天线的馈电方式一般分为同轴线-槽线馈电、共面波导-槽线馈电和微带线槽线馈电，一般采用易于加工的微带线-槽线馈电，见图1(b)，电磁波通过微带线耦合到天线正面的辐射贴片[7]。

天线处于工作状态时，电磁波通过微带线耦合到正面金属层的矩形槽线之间，并沿着渐变指数槽线传输并耦合辐射至自由空间。在电磁波传输过程中，当指数槽线开口较小时，电磁波的能量被束缚在天线的金属贴片之间，此时辐射较弱。当电流顺着指数曲线槽线传输至开口较大位置时，金属贴片对电场的束缚能力逐渐减小，使电场信号在开口处向自由空间辐射。所以，天线的指数渐变槽线的最小距离决定天线的最高工作频率，而槽线的最大开口距离限制天线的最低工作频率。

1.2 天线尺寸计算

Vivaldi天线的长度L、宽度W和指数渐变线y的尺寸通过式(1)～(5)给出。

Vivaldi天线的长度L应大于波长λ的一半:

(1)

式中：λ为最大工作波长。

天线的宽度W应大于波长λ的四分之一：

(2)

Vivaldi天线的槽线属于指数渐变线，这种指数型槽线使Vivaldi天线比普通的槽线天线拥有更宽的带宽，图1中P1(x1,y1)为槽线的起点，P2(x2,y2)为槽线的终点，指数渐变槽线可以表示为：

y=C1eKx+C2

(3)

式中：K为指数曲线的增长率；C1、C2为常数，可用下式表示：

(4)

(5)

1.3 天线结构

本文设计的天线结构见图2(a)，图中蓝色部分为介质基板，黄色为金属部分。介质基板采用介电常数为2.2、厚度为0.78 mm的Taconic TLY-5材料，金属部分是厚度为0.017 5 mm的铜箔。该天线主要包括弯曲部分、垂直部分和水平部分。图2(b)和(c)分别示出了该结构的前视图和侧视图，从图2(b)可以看出，天线的垂直及弯曲部分的内边缘为弧形辐射臂，它们由指数渐变槽线f(x)组成，指数渐变槽线满足式(3)的要求。图2(c)中的半圆弯曲部分是由两端的辐射臂向内弯曲为四分之一圆弧构成，因而形成拱形结构。图2(d)和(e)分别示出了水平部分的顶视图和后视图。如图2(e)所示，安装在水平部分的微带馈线采用渐变微带线以更好的实现阻抗匹配。

Vivaldi天线的辐射方向是沿着指数槽线向外辐射，对于馈电部分，电流主要集中在微带线和圆形开路腔附近，对于指数渐变槽线部分，电流主要集中在指数渐变槽线边缘。

本文所设计的天线，存在左右两部分向内弯曲的辐射臂，电磁波通过左右两个微带线与圆形开路腔进行阻抗匹配，并分别向左右两端的矩形槽线耦合馈电，天线在水平部分被馈电，电磁波沿着垂直部分和向内弯曲部分的指数渐变槽线传输同时耦合辐射至自由空间。对于水平部分，电流主要集中在两个微带线及圆形开路腔附近，对于垂直及向内弯曲的辐射臂部分，电流主要集中在指数渐变槽线边缘，垂直及向内弯曲的辐射臂改变了Vivaldi天线原本的辐射方向，使天线从弯曲的辐射臂之间辐射出行波，进而提高了天线的增益。

1.4 参数优化

为了在上述设计中获得最佳的天线性能，分别对天线的水平部分长度L1、垂直部分长度L2和弯曲部分长度L3进行了仿真优化。讨论这些参数的不同取值对增益的影响，在进行参数优化时，其他参数为固定值。

图3(a)显示了当L2=43 mm，L3=23.5 mm时，天线的水平部分长度L1对天线增益的影响。从图3(a)可以看出，当L1=33.6 mm时，低频段的增益太低；当L1=37.6 mm时，中高频段的增益较低；当L1=35.6 mm时，天线在整个工作频段内具有稳定的增益，因而选取天线的水平部分长度为L1=35.6 mm。

图3(b)显示了当L1=35.6 mm，L3=23.5 mm时，天线的垂直部分长度L2对天线增益的影响。从图3(b)可以看出，当L2=41 mm时，低频段的增益较低；当L2=45 mm时，中高频段的增益较低。因此，考虑到天线的尺寸及增益大小，因而选取天线的垂直部分长度为L2=43 mm。

图3(c)显示了当L1=35.6 mm，L2=43 mm时，天线的弯曲部分长度L3对天线增益的影响。从图3(c)可以看出，低频时，L3尺寸的改变对天线增益的影响较小；中高频段时，随着L3尺寸的增大，增益也逐渐增大，因而选取天线的弯曲部分长度为L3=23.5 mm。

根据以上的参数研究，最终得出天线优化后的关键参数值，见表1。

表1 设计的天线尺寸

2 天线的仿真结果与分析

2.1 S参数

见图4所示，利用CST软件对天线进行仿真分析，得到天线的S11与频率的关系图，从图中可以看出，在3.7～14 GHz之间，天线的S11均在-10 dB以下。

2.2 增益和辐射效率

仿真分析了天线的增益与辐射效率，见图5，图5中黑色线代表增益，红色线代表辐射效率。在天线仿真设计过程中，通过调整天线的水平部分矩形槽的长度、宽度以及天线垂直部分和弯曲部分的长度，有效改善了天线的增益。从图5可以看出，最终所设计的天线增益的峰值可以达到10 dBi，平均效率达到了95.2%。为了解释图5中增益抖动的规律，给出了天线在5 GHz、6 GHz、7 GHz、9 GHz频率处的电流分布图，见图6。从图6中可以看出，在6 GHz和7 GHz处谐振产生了更多X方向的电流，由于所设计天线的主极化方向沿Y方向，使得天线辐射的电磁能量很大程度减小，所以这些频点处增益较低。相反，在5 GHz和9 GHz处谐振产生了更多Y方向的电流，两者相互叠加，使得这些频点处增益增大。

2.3 辐射方向图

图7为天线在5 GHz、6 GHz、7 GHz和9 GHz的E面和H面归一化辐射方向图，从图7中可以看出，天线在整个工作频段内存在两个主辐射方向。因为本文所设计的天线是由两个Vivaldi天线组合而成，天线在整个工作频段内辐射方向沿着左右两侧的指数曲线辐射臂进行辐射，因而存在左右两个主辐射方向。Vivaldi天线因其特殊的指数曲线结构，高频时，辐射位置靠近槽线起始端，低频时，辐射位置靠近槽线末端，而本文所设计的天线是向内弯曲结构，因而在不同频段时，主辐射方向角度稍有不同。为了突出本文设计的天线的新颖性，表2中显示了本文设计的天线与近几年文献中类似结构主要性能的比较。可以看出，本文设计的天线具有良好的增益。