一種對(duì)踵型Vivaldi超寬帶天線設(shè)計(jì)

一種對(duì)踵型Vivaldi超寬帶天線設(shè)計(jì)岳新東【摘要】為了提高傳統(tǒng)Vivaldi天線低頻段的前向輻射增益，設(shè)計(jì)了一種尺寸為96mmx50mmxl.5mm的對(duì)踵型Vivaldi超寬帶天線.該天線通過(guò)在其底層增加了—個(gè)矩形地板，并將其介質(zhì)基板在x和y軸上分別向外進(jìn)行一定延伸來(lái)提高輻射特性.最后，利用仿真和實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性.結(jié)果表明,該天線的最高增益超過(guò)8dB,具有良好的阻抗匹配特性，而且在3~12GHz的頻帶范圍內(nèi)方向圖特性良好，可以實(shí)現(xiàn)超寬帶傳輸.【期刊名稱(chēng)】《蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2019(045)004【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P110-113)【關(guān)鍵詞】Vivaldi天線;超寬帶;前向輻射增益【作者】岳新東【作者單位】甘肅省無(wú)線電監(jiān)測(cè)站，甘肅蘭州I730000【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN821在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，天線作為一種發(fā)射或接收電磁波的單元，可實(shí)現(xiàn)自由空間電磁場(chǎng)和導(dǎo)波系統(tǒng)電磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換，因此在雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線電系統(tǒng)的帶寬也隨之不斷拓展，超寬帶(ultrawide-band,UWB)天線已經(jīng)成為了天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-4］.作為超寬帶天線的一種，Vivaldi天線具有超寬帶性能、單方向性和穩(wěn)定的輻射模式，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、易于饋電、便于集成等特點(diǎn)，已被成功應(yīng)用于微波成像領(lǐng)域［5］.Vivaldi天線最早是在1979年由Gibson提出，作為一種漸變式、非周期、端射行波天線，理論上具有無(wú)限的頻帶寬度［6-9］，然而傳統(tǒng)Vivaldi天線的帶寬受限于天線的有限尺寸和饋線結(jié)構(gòu)［10］.針對(duì)傳統(tǒng)Vivaldi天線饋電結(jié)構(gòu)限制天線帶寬的缺陷，本文提出了一種對(duì)踵型Vivaldi天線.與傳統(tǒng)Vivaldi天線相比，對(duì)踵型Vivaldi天線的輸入阻抗較低，易于和特征阻抗為50Q的饋線匹配.仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，天線的工作頻段不僅覆蓋了超寬帶通信所規(guī)定的頻段，而且還具有較高的增益，可用于超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng).1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)Vivaldi天線是由蝕刻在帶有介質(zhì)層的金屬底板上的漸變錐形縫隙構(gòu)成，由于受到有限的尺寸和饋線結(jié)構(gòu)的影響，其帶寬往往受限.為了獲得較大的傳輸帶寬，通過(guò)在傳統(tǒng)Vivaldi天線的底面添加矩形地板，并將介質(zhì)基板在x軸正向延伸L0,在y軸正負(fù)方向各延伸W0，提出了一種對(duì)踵型Vivaldi天線.該天線選用相對(duì)介電常數(shù)a為4.4、厚度h為1.5mm的雙面覆銅環(huán)氧板(FR4)作為介質(zhì)基板，該對(duì)踵型Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中的深色部分為頂層結(jié)構(gòu)，淺色部分為底層結(jié)構(gòu).圖1Vivaldi天線結(jié)構(gòu)Fig.1StructurediagramofVivaldiantenna由圖1可知，介質(zhì)基片兩側(cè)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng).y1和y2分別表示天線的內(nèi)外指數(shù)漸變槽線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:L2為天線頂面的微帶饋線寬度;k1和k2為與天線的漸變槽線曲率有關(guān)的參數(shù).利用CST電磁仿真軟件中的特征阻抗計(jì)算工具，在天線所用FR4材料的相對(duì)介電常數(shù)a和厚度h給定的情況下，經(jīng)計(jì)算可得如圖2所示的結(jié)果.由圖2可見(jiàn)，當(dāng)參數(shù)L2=2.8mm時(shí)，天線的特征阻抗約為50.95Q.由此可見(jiàn)，該天線的特征阻抗可以與特征阻抗為50Q的饋線相匹配.天線的漸變槽線曲率直接影響Vivaldi天線的輻射性能，因此，參數(shù)k1和k2的選取是一個(gè)關(guān)鍵.依據(jù)設(shè)計(jì)天線的尺寸與形狀，利用CST電磁仿真軟件中的參數(shù)掃描功能進(jìn)行回波損耗值的計(jì)算.計(jì)算過(guò)程中，k1和k2分別在78~90、24~40之間平均選取3個(gè)樣本點(diǎn)，回波損耗(S11)如圖3所示.為了實(shí)現(xiàn)3~12GHz的目標(biāo)帶寬，這就要求該頻率范圍內(nèi)的回波損耗全部在-10dB以下.依據(jù)該要求，從圖3中選取回波損耗值最優(yōu)曲線(即S11(1))所對(duì)應(yīng)的參數(shù)為k1和k2的最佳值，即k1=84,k2=32.圖2對(duì)踵型Vivaldi天線特征阻抗計(jì)算Fig.2Characteristicimpedancecalculationofantipode-typeVivaldiantenna通過(guò)以上仿真和進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)后，所設(shè)計(jì)出的對(duì)踵型Vivaldi天線模型可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，天線單元的具體尺寸為：長(zhǎng)96mm,寬50mm,厚度1.5mm.其余天線各參數(shù)見(jiàn)表1,其中:L0為天線上邊緣延伸出的介質(zhì)長(zhǎng)度，L1為天線漸變部分的長(zhǎng)度，L2為微帶饋線的帶寬度，L3為饋線的長(zhǎng)度，L5為地面的高度，W0為天線左右邊緣延伸出的介質(zhì)寬度，W1為漸變部分的寬度，W2為地面的寬度.對(duì)踵型Vivaldi天線的實(shí)物如圖4所示.圖3不同k1和k2參數(shù)時(shí)的回波損耗值Fig.3Returnwavelossincaseofdifferentparametersofk1andk2表1天線尺寸參數(shù)Tab.1DimensionalparametersofantennammL0L1L2L3L5W0W1W2k1k210402.8108880308432圖4對(duì)踵型Vivaldi天線的實(shí)物Fig.4Prototypeofantipode-typeVivaldiantenna2天線性能的仿真與實(shí)測(cè)在對(duì)踵型Vivaldi天線制作完成后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5~7所示.圖5為S11仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖，測(cè)試頻率范圍為1~12GHz.由圖5可見(jiàn)，實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線基本擬合，在3~12GHz頻帶范圍內(nèi)S11值均低于-10dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo).圖5室內(nèi)S11仿真及實(shí)測(cè)對(duì)比曲線Fig.5IndoorsimulatedandactuallymeasuredvaluesofS11圖6Vivaldi天線增益Fig.6GaindiagramofVivaldiantenna圖7室外Vivaldi天線輻射方向圖Fig.7OrientationdiagramofradiationofoutdoorVivaldiantenna圖6為Vivaldi天線在各個(gè)頻點(diǎn)處的最大增益值折線圖.由圖6可見(jiàn)，在3~12GHz頻帶，天線的最大增益值保持在4.5dB以上，其中最高增益值超過(guò)了8dB.在4~10GHz頻帶，天線的最大增益值在7dB附近波動(dòng).說(shuō)明該天線的增益相比傳統(tǒng)Vivaldi天線有較大提高.圖7為天線在室外空曠場(chǎng)地的E面和H面的二維輻射方向圖，對(duì)應(yīng)的頻率分別為6GHz和11GHz.圖中，虛線為仿真結(jié)果，實(shí)線為實(shí)測(cè)結(jié)果.由圖7可見(jiàn)，天線輻射能量主要集中于x軸方向，而由Vivaldi天線模型可知，其端射方向?yàn)閤軸方向，理論上在該方向的輻射最大在6GHz時(shí)的E面和H面輻射方向圖中，天線的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定程度上的角度偏移；當(dāng)頻率升高為11GHz時(shí)，天線輻射方向性增強(qiáng)，明顯更集中于x軸方向.3結(jié)論為了克服傳統(tǒng)Vivaldi天線的不足，采用在底層加載一個(gè)矩形地板，并對(duì)其介質(zhì)基板在x軸和y軸方向進(jìn)行延伸的方法，設(shè)計(jì)了一種對(duì)踵型Vivaldi超寬帶天線.相對(duì)于傳統(tǒng)Vivaldi天線而言，該天線在其帶寬范圍3~12GHz獲得了較高的輻射增益，最高增益超過(guò)8dB.在其帶寬范圍具有較好的輻射特性，并且隨著頻率的提高，天線的方向性也隨之增強(qiáng)，是一種易于加工和裝配的超寬帶天線.這種對(duì)踵型Vivaldi天線在寬頻帶、高增益、高輻射性能的天線設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】XUR,LIJY,LIUJ,etal.UWBcircularlypolarisedslotantennawithmodifiedgroundplaneandL-shapedradiator[J].ElectronicsLetters,2018,54(15):918-920.SIDDIQUIJY,SAHAC,SARKARC,etal.Ultra-widebandantipodaltaperedslotantennawithintegratedfrequencynotchcharacteristics[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2018,66(3):1534-1539.CHANKM,OLOUMID,BOULANGERP,etal.UWBantennadesignfordispersionfreetimesynchronizedpulseradiation[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2017,65(12):6819-6826.胡少文，吳毅強(qiáng)，羅斌，等.一種新型的超寬帶天線的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):90-92.MOHAMMEDBJ,ABBOSHAM,MUSTA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