張淑晨，李相輝，袁茂雲(yún)，方 宇，劉文超，徐 娟

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

近年來，無線通信成為發(fā)展最迅猛的領(lǐng)域之一。天線是無線通信系統(tǒng)極其重要的部分。通信系統(tǒng)中的信號的接收和發(fā)送都離不開天線。但是，隨著無線通信的不斷發(fā)展，人們的通信要求提出了更高要求，不但要求通信速率要高，而且通信質(zhì)量的要求也較高。于是，Vivaldi天線應(yīng)運(yùn)而生。Vivaldi天線是一種超寬帶、小型化天線，是漸變縫隙天線的一種特殊情況。Vivaldi天線呈指數(shù)狀槽線[1]，結(jié)構(gòu)較為簡單，可直接印刷在介質(zhì)基板上。Vivaldi天線的帶寬很寬，但現(xiàn)實(shí)中會有很多因素限制其帶寬，所以對拓Vivaldi天線應(yīng)運(yùn)而生。比起普通的Vivaldi天線，它的結(jié)構(gòu)更緊湊、帶寬更寬，易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，交叉極化水平更優(yōu)。

1 對拓Vivaldi天線

對拓Vivaldi天線雖然也是一種介質(zhì)基板上的印刷結(jié)構(gòu)，但與傳統(tǒng)的經(jīng)典Vivaldi天線不同。它的輻射金屬貼片是被印刷在基板兩面的，這樣的結(jié)構(gòu)是的阻抗更容易實(shí)現(xiàn)匹配。對拓Vivaldi天線由3部分組成，分別是輻射區(qū)、傳輸區(qū)和饋電區(qū)。在低頻端，它可以被看成是諧振天線；在高頻端，它可以被看成是非諧振的行波天線[2]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 對拓Vivaldi天線結(jié)構(gòu)

對拓Vivaldi天線的輻射機(jī)理[3]是電磁波在輻射貼片上沿著指數(shù)漸變線內(nèi)邊緣傳播的，后兩片金屬上的能量又相互耦合產(chǎn)生輻射，在開口方向上產(chǎn)生最大輻射。此外，對拓Vivaldi天線能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶主要是因?yàn)閮杀凵系男胁娏飨辔幌嗖?80°。對拓Vivaldi天線表面電磁場分布如圖2所示[4]。

圖2 對拓Vivaldi天線輻射機(jī)理

2 小型化對拓Vivaldi天線

2.1 未加載對拓Vivaldi天線結(jié)果分析

天線采用的介質(zhì)基板是Arlon AD600（tm），其相對介電常數(shù)為6.15，損耗角正切為0.003，厚度t為0.508 mm。圖3中，參數(shù)W表示為天線整體寬度，W1為指數(shù)漸變線的開口寬度，H為天線高度，s為饋電端口的寬度，R1、R2分別為兩指數(shù)漸變線的漸變率。

圖3 未加載對拓Vivaldi天線結(jié)

利用Ansoft HFSS 13對圖3天線進(jìn)行仿真，經(jīng)過適當(dāng)分析調(diào)整W、W1、H、R1、R2的值，使天線的阻抗匹配達(dá)到最佳的同時(shí)，天線的增益達(dá)到最大[5]。

選取W=80 mm，W1=40 mm，H=70 mm，R2=0.6時(shí)，令R1為從0.06～0.12變化，間隔為0.02，其端口反射系數(shù)S11變化如圖4所示。

可以看出，不同的指數(shù)漸變率R1對天線的端口反射系數(shù)S11有一定程度的影響。高頻部分，R1越大越好[6]；低頻部分，R1越小其曲線趨勢越平緩。因此，要實(shí)現(xiàn)天線的小型化，最終折中考慮選擇R1=0.08。

選取W=80 mm、W1=40 mm、H=70 mm、R1=0.08時(shí)，令R2為從0.4～0.1變化，間隔為0.2，其端口反射系數(shù)S11變化如圖5所示。

圖4 不同指數(shù)漸變率R1的反射系數(shù)

圖5 不同指數(shù)漸變率R2的反射系數(shù)

可見，不同的指數(shù)漸變率R2對天線的端口匹配程度有一定的影響。在0.6～1時(shí)，R2越小越好，但是小到一定程度有惡化趨勢，故最終選取R2=0.6。

選取W1=40 mm、H=70mm、R1=0.08、R2=0.6時(shí)，令W為從65～80 mm變化，間隔為5 mm，其端口反射系數(shù)S11變化如圖6所示。

圖6 不同的天線寬度的反射系數(shù)

可以看出，天線寬度W對天線的端口匹配程度有一定的影響。在整個(gè)頻段內(nèi)，隨著W的變大，天線匹配越來越好，而根據(jù)實(shí)際情況最終選取W=80 mm。

選取W=80 mm、H=70mm、R1=0.08、R2=0.6時(shí)，令W1為從40～70 mm變化，間隔為10 mm，其端口反射系數(shù)S11變化如圖7所示。

圖7 不同的開口寬度的反射系數(shù)

可以看出，不同的W1對天線的端口反射系數(shù)亦有一定程度的影響。大體上在整個(gè)頻段內(nèi)，W1越大，端口匹配性能越差，故最終選取W1=40 mm。

選取W=80 mm、W1=40mm、R1=0.08、R2=0.6時(shí)，令H為從65～80 mm變化，間隔為5 mm，其端口反射系數(shù)S11變化如圖8所示。

圖8 不同的天線高度的反射系數(shù)

可以看出，參數(shù)H對天線的端口反射系數(shù)亦有一定程度的影響。大體上，在整個(gè)頻段內(nèi)，H越大，端口匹配越好，但同時(shí)考慮到空間、成本以及可靠性問題，最終選取H=70 mm。

最終經(jīng)過優(yōu)化和考慮到實(shí)際項(xiàng)目要求的空間尺寸控制，所得的天線的設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

表1 優(yōu)化后的天線尺寸

2.2 對拓Vivaldi天線加載電阻結(jié)果分析

在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)小型化且拓展低頻帶寬，在天線的兩輻射貼片開口末端對稱的加載兩吸收電阻，并在電阻的另一端加載寄生貼片，吸收低頻端多余的反射電流，改善駐波。

圖9 加載電阻的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)

利用Ansoft HFSS 13對上述天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示，是未加載的對拓Vivaldi天線與加載電阻的對拓Vivaldi天線的端口反射系數(shù)對比圖。

由對比可以看出，在未加載電阻之前，天線的低頻截止頻率約在1.4 GHz，而在加載電阻之后，在高頻段反射系數(shù)稍高，但仍然滿足性能要求；低頻端的截止頻率拓展至1 GHz左右。

圖11是未加載的對拓Vivaldi天線與加載電阻的對拓Vivaldi天線的增益對比圖。

圖10 加載電阻前后的天線對比

圖11 加載電阻前后的天線增益對比

由對比結(jié)果分析得，在天線開口末端各加載100 Ω的電阻后，由于取值合適，天線的增益在全頻段內(nèi)并沒有受到大的影響。

由仿真結(jié)果可以看出，加載電阻之后的天線輻射效率在全頻段內(nèi)幾乎是小于未加載電阻之前的。這是一個(gè)非常合理的結(jié)果，因?yàn)殡娮璞旧硎且粋€(gè)損耗性器件。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款超寬帶小型化的對拓Vivaldi天線，通過電阻加載的方式，實(shí)現(xiàn)了0.8～18 GHz即22.5倍頻程的超寬帶性能，且尺寸符合設(shè)計(jì)要求，橫向尺寸僅為0.2個(gè)低頻波長，實(shí)現(xiàn)了小型化。