印 倩，李麗嫻，邵曉龍，榮志鵬，吳翠翠

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

無線通信的迅猛發(fā)展，對天線方向圖提出了更加苛刻的指標(biāo)，為了能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證天線的輻射性能，暗室測試場的重要性不言而喻。EMC測量天線作為測試場中較為關(guān)鍵的設(shè)備之一，要求其具有寬頻帶、對稱且平緩的方向圖和較低的交叉極化等性能[1-3]。目前，暗室使用的EMC測量天線大多為矩形波導(dǎo)喇叭或者加脊喇叭，受限于頻帶寬度，通常需要準(zhǔn)備多種頻率的喇叭，且頻率越低，波導(dǎo)喇叭尺寸越大，重量越重。

1979年Gibson首次提出Vivaldi天線結(jié)構(gòu)[4]，這是一種非周期的行波天線，由較窄槽線過渡到較寬槽線，槽線為指數(shù)曲線，輻射原理與TEM模喇叭天線類似。微帶饋電的Vivaldi天線具有很寬的阻抗帶寬和較高的天線增益，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)板帶狀線形式的Vivaldi天線，采用在天線諧振區(qū)域邊緣加入金屬隔離墻的方法，有效去除天線單元工作頻段內(nèi)的諧振；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種5倍頻程的Vivaldi天線，帶寬為2.7～15 GHz。

本文在結(jié)構(gòu)小型化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型超寬帶雙極化EMC測量天線，通過合理設(shè)計(jì)饋電結(jié)構(gòu)、饋電位置以及諧振腔尺寸，有效降低了天線尺寸。

1 Vivaldi天線基本原理

Vivaldi天線由槽線激勵(lì)，通過微帶線將能量耦合到縫隙進(jìn)行饋電[7-8]，基本模型如圖1所示。天線主要由金屬輻射貼片、微帶線饋線和介質(zhì)基板組成。其中金屬輻射貼片蝕刻于介質(zhì)基板一側(cè)，包括圓形諧振腔、矩形槽線和指數(shù)漸變曲線槽線，圓形諧振腔的位置、尺寸和矩形槽線的長度可以有效改善天線駐波。

圖1 Vivaldi天線基本模型Fig.1 Schematic diagram of Vivaldi antenna

當(dāng)Vivaldi天線工作在匹配狀態(tài)時(shí)，不同工作頻率對應(yīng)著指數(shù)漸變曲線槽線上各不同輻射部分，而各輻射部分相較于不同頻率信號的波長的電長度為定值，因此Vivaldi天線相較于普通喇叭天線具有很寬的頻帶和波束寬度[9-11]。

根據(jù)天線的行波機(jī)制，指數(shù)漸變曲線槽線的長度大于λ0(λ0為最低工作頻率的自由空間波長)，槽線末端開口寬度大于λ0/2，且天線的高頻輻射特性受到指數(shù)漸變曲線窄端開槽寬度的影響，反之低頻輻射特性受到漸變曲線最大開縫寬度影響[12-13]。

微帶線饋線部分位于介質(zhì)板另一側(cè)，增加多段匹配段以滿足阻抗匹配要求，且末端以扇形金屬貼片代替1/4波長的微帶短路線，有效提高天線匹配特性。

天線漸變槽線為指數(shù)曲線，滿足：

y=C1eax+C2，

式中，設(shè)漸變曲線兩端點(diǎn)分別為A1(x1，y1)，A2(x2，y2)，則系數(shù)C1，C2為：

與其他類型天線相比，Vivaldi天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡單，易于加工和批產(chǎn)；工作頻帶較寬，具有良好的方向性；天線極化方式為線極化，適用于探頭天線。

2 EMC測量天線設(shè)計(jì)

利用ANSYS HFSS電磁仿真軟件對EMC測量天線進(jìn)行仿真分析，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。EMC測量天線由2個(gè)相同的Vivaldi單元，在其兩端各自開設(shè)一道槽縫，通過十字正交的方式進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)雙線極化。

圖2 EMC測量天線仿真模型Fig.2 Simulation model of the antenna

將Vivaldi天線作為EMC測量天線使用時(shí)，要求其帶寬寬、方向圖對稱且平緩。通過合理調(diào)節(jié)、優(yōu)化Vivaldi的指數(shù)漸變縫隙各參數(shù)，以及微帶饋線的位置，設(shè)計(jì)出符合帶寬和方向圖要求的EMC測量天線。仿真結(jié)果表明，當(dāng)Vivaldi天線尺寸為160 mm(口徑)×133 mm(高度)時(shí)，天線在0.6～6 GHz頻帶內(nèi)，方向圖在±55°內(nèi)平緩、無凹坑。

經(jīng)過仿真分析，2個(gè)Vivaldi天線分別饋電時(shí)，輻射方向圖一致。圖3為端口隔離仿真圖，由圖3可知，整個(gè)頻帶內(nèi)2個(gè)輸入端口之間的隔離度≥28 dB；利用脈沖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5242A對所設(shè)計(jì)的EMC測量天線的兩端口隔離測試，如圖4所示。圖5為1個(gè)端口加載激勵(lì)時(shí)天線仿真/實(shí)測方向圖，在0.6～6 GHz頻帶范圍內(nèi)，探頭天線的增益為1.19～9.25 dB，交叉極化>25 dB，方向圖在±55°范圍內(nèi)平緩、無凹坑，仿真和實(shí)測基本一致。

圖3 EMC測量天線輸入端口隔離度仿真圖Fig.3 Simulation diagram of the antenna isolation

圖4 EMC測量天線輸入端口隔離度實(shí)測圖Fig.4 Measured drawing of the antenna isolation

(a)f=0.6 GHz

(b)f=3 GHz

(c)f=6 GHz圖5 EMC測量天線仿真/測試方向圖Fig.5 Simulation pattern and measured pattern of the antenna

3 實(shí)物加工

本文設(shè)計(jì)的一種新型超寬帶雙極化EMC測量天線，其加工實(shí)物圖如圖6所示，在天線底座設(shè)計(jì)了4塊金屬塊對2個(gè)相同Vivaldi天線進(jìn)行固定，最終尺寸為160 mm(口徑)×133 mm(高度)，相較于傳統(tǒng)Vivaldi天線[7-8]，設(shè)計(jì)的天線具有更小的幾何尺寸。

圖6 EMC測量天線實(shí)物Fig.6 Actual picture of the antenna

4 結(jié)束語

本文提出一種10倍頻程的新型超寬帶EMC測量天線，將2個(gè)相同Vivaldi天線分別開槽、十字正交安裝，并在天線外側(cè)增加天線罩。這種新型探頭天線具有雙極化、超寬帶、重量輕、體積小、方向圖平緩、交叉極化低和端口隔離高等特點(diǎn)，能夠很好地替代傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)喇叭探頭，在天線測量領(lǐng)域內(nèi)，具有較好的應(yīng)用前景。