歐陽偉忠，周永剛，李博南，謝倩倩

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210016)

Vivaldi天線是英國Philips研究室Gibson于1979年提出的一種指數(shù)漸變槽線天線［1］，此種天線槽線呈指數(shù)規(guī)律變化，屬于行波天線，在不同的頻率上，槽線不同部分發(fā)射或接收電磁波，因此理論上講，它有很寬的帶寬［2］。雖Vivaldi天線具有超寬帶等特性，但定向性相對較差，且在工作頻帶的低端和高端增益下降明顯。因此，目前眾多學(xué)者始終致力于改善Vivaldi天線輻射性能的研究。

各向異性零折射率超材料結(jié)構(gòu)(ZIM)［3］并不是自然界自然存在，而是由人工設(shè)計單元結(jié)構(gòu)，并將其按照周期性排列，構(gòu)造成各向異性零折射率透鏡。該結(jié)構(gòu)能將通過的球面波變換成平面波［4］，以此提高天線在高頻段的增益和定向性［5］。

矩形槽縫結(jié)構(gòu)(RSE)［6］，該種加載不僅可增加天線低頻段的電流路徑，也可使天線在口徑處金屬上的低頻電流分布能夠達到更加均勻的效果，這等同于使天線口徑處場幅度更接近于均勻分布，從而提高天線在低頻段的增益和定向性。

本文在傳統(tǒng)Vivaldi天線設(shè)計的基礎(chǔ)上，同時加載ZIM和RSE結(jié)構(gòu)，并通過仿真優(yōu)化，改善了天線工作頻段高端和低端的輻射性能，從而在整個工作頻段內(nèi)提高天線的增益。

1 天線基本設(shè)計分析

1.1 傳統(tǒng)Vivaldi天線

典型Vivaldi天線結(jié)構(gòu)［7］如圖1所示。該天線結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，幾何參數(shù)眾多，特別是微帶線和槽線饋電結(jié)構(gòu)是設(shè)計重點，其尺寸數(shù)據(jù)直接影響天線的輻射性能。按照仿真設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計流程為:(1)設(shè)計具有穩(wěn)定傳輸特性與較低損耗的寬帶饋電巴倫。(2)將天線輻射部分與寬帶巴倫聯(lián)合仿真。(3)優(yōu)化錐形槽指數(shù)曲線指數(shù)漸變率。指數(shù)漸變曲線可由式(1)確定

按照設(shè)計要求和以上設(shè)計原則，再經(jīng)計算和HFSS軟件建模仿真優(yōu)化得到天線最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中指數(shù)漸變率 α為0.045，常數(shù)c1=2.1，c2= －1.35。

圖1 傳統(tǒng)Vivaldi天線示意圖

天線輻射和饋電單元結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 天線尺寸參數(shù) mm

1.2 加載ZIM與RSE結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)Vivaldi天線在頻段兩側(cè)的增益不高，為了達到整個頻段內(nèi)天線的增益和定向性要求，通過加載零折射率超常介質(zhì)(ZIM)和軸向邊緣梳狀結(jié)構(gòu)的矩形槽縫結(jié)構(gòu)(RSE)結(jié)構(gòu)分別提高相關(guān)頻段(9～11 GHz)與低頻段(4～6 GHz)的增益。天線整體結(jié)構(gòu)示意圖與ZIM單元結(jié)構(gòu)圖分別如圖2所示。

矩形槽縫結(jié)構(gòu)(RSE)結(jié)構(gòu)加載設(shè)計過程中，根據(jù)相關(guān)設(shè)計公式RSE長度近似為，其中 λl為低頻截止頻率的波長，εr為介質(zhì)板材的介電常數(shù)。RSE寬度和間隔按照相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，一般約在2 mm，利用HFSS軟件做相關(guān)優(yōu)化掃描，最終得到了RSE結(jié)構(gòu)的各個相關(guān)參數(shù)。

零折射率超常介質(zhì)(ZIM)結(jié)構(gòu)加載設(shè)計過程中，單元結(jié)構(gòu)為下列的彎曲線，電場方向沿著橫向方向，則會產(chǎn)生電響應(yīng)，將其周期性排列既可以達到所需要的零折射率媒質(zhì)，其等效介電常數(shù)可以控制，改變單元結(jié)構(gòu)的大小和此種彎曲線的長度，再將其進行周期性的排列通過HFSS軟件優(yōu)化可得到相關(guān)彎曲線長度和周期排列方法。

圖2 加載ZIM和RES的新型Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真及測試結(jié)果

2.1 天線實物制作

按照設(shè)計的Vivaldi天線尺寸，選取εr=2.2，采用厚度為1 mm的Rogers 5880板材制作該天線的兩種試驗樣機，分別制作了傳統(tǒng)的Vivaldi天線與加載兩種新型結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線。傳統(tǒng)與新型Vivaldi天線實物圖的正反面示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 兩種Vivaldi天線正面示意圖

圖4 兩種Vivaldi天線反面示意圖

2.2 天線S1 1參數(shù)

傳統(tǒng)的Vivaldi天線是一種平面喇叭天線，用平面?zhèn)鬏斁€作為饋電端。文中設(shè)計并制作了一款工作頻率在3～11 GHz的Vivaldi天線，其S11參數(shù)的仿真與測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出仿真與測試結(jié)果基本吻合。

圖5 傳統(tǒng)Vivaldi天線S11參數(shù)

在上述傳統(tǒng)Vivaldi天線的設(shè)計基礎(chǔ)上，加載了ZIM結(jié)構(gòu)和RSE結(jié)構(gòu)，其仿真和測試結(jié)果如圖6所示。傳統(tǒng)天線和新型天線的S11參數(shù)都在－10 dB以下，均滿足天線的匹配要求，兩款天線S11曲線的仿真和實測結(jié)果吻合良好。在天線回波損耗參數(shù)上，實測數(shù)據(jù)達到了相關(guān)設(shè)計要求和指標(biāo)。

圖6 加載ZIM和RES的新型Vivaldi天線S11參數(shù)

2.3 天線增益以及方向圖

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，對新型和傳統(tǒng)的Vivaldi天線主輻射方向增益以及方向圖進行了仿真和比較，仿真比較結(jié)果如圖7～10所示。由圖7的對比可看出，當(dāng)加載了ZIM和RSE結(jié)構(gòu)后，主輻射方向上的增益得到了改善。天線工作頻段內(nèi)低頻段4～6 GHz增益提高在2.5 dB以上，高頻段9～11 GHz增益提高在1.5 dB以上，達到了文中對輻射增益的改善要求。

圖7 傳統(tǒng)與新型Vivaldi天線增益對比

文中進一步對比了典型工作頻點上的方向圖。從圖8～11可看出，新型加載Vivaldi天線的半功率波瓣寬度(HPBW)較傳統(tǒng)的Vivaldi天線明顯變窄，半功率波瓣寬度(HPBW)在10.5 GHz頻率處縮小了15°，在9.5 GHz頻率處縮小了18°，定向性得到優(yōu)化，達到了對定向性改善的要求。

圖8 傳統(tǒng)與新型Vivaldi天線方向圖對比(10.5 GHz)

圖9 傳統(tǒng)與新型Vivaldi天線方向圖對比(9.5 GHz)

3 結(jié)束語

設(shè)計并加工了具有超寬帶特性的平面Vivaldi天線，同時，對傳統(tǒng)Vivaldi天線進行了ZIM與RSE結(jié)構(gòu)加載，經(jīng)仿真優(yōu)化，這兩種結(jié)構(gòu)提高了Vivaldi天線的方向性與增益，實測結(jié)果驗證了其效果顯著增強，天線性能得到提升。

［1］ Gibson P J．The Vivaldi aerial［C］．Paris:Microwave Conference，9th European，IEEE，1979:101 －105．

［2］ Gazit E．Improved design of the Vivaldi antenna［J］．IEEE Proceedings H，1988，135(2):89 －92．

［3］ Ma Y G，Wang P，Chen X，et al．Near－field plane－wave －like beam emitting antenna fabricated by anisotropic metamaterial［J］．Application Physics Letter，2009，94(7):926 －929．

［4］ Zhou Bin，Cui Tiejun．Directivity enhancement to Vivaldi antennas using compactly anisotropic zero－index metamaterials［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011(10):326－329．

［5］ Rizk Jad B，Rebeiz G M．Millimeter－wave fermi tapered slot antennas on micromachined silicom substrates ［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagatron，1987，35(11):1310－1313．

［6］ 邊莉，黃玉琴，吳群．Vivaldi超寬帶天線時域特性的FDTD分析［J］．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2007(4):28－31．

［7］ Janaswmy R，Schaubert D H．Characteristic impedance of a wide slotline on low － permittivity substrates［C］．IEEE Transactions on MTT，1986，34(2):900 －902．