唐尧;曹祥玉;高军
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【摘 要】Vivaldi antenna,a kind of tapered slot antenna,is widely used in the design of planar ultra wideband antennas.Vivaldi antennas can broaden the bandwidth infinitely in theory,but the improvement of the gain is not prominent because of the processing technology and the dimension.This paper loads the antipodal structural dielectric on the front of the radiation structure.The results indicate that the relative bandwidth broadens by 79.1％ and the gain increases 3 dBi at 5.5 GHz and 12 GHz.The technology of slotting correction makes the radiation phrase distribution more symmetrical,thus enhancs the efficiency of the amplitude distribution.The results indicate that the gain increases 2 dBi through loading the technology.Both technologies in the design own the merits of high gain,simple design and miniaturization,which provides a new idea for end-fire antenna gain and directivity improvement.%Vivaldi天线属于渐变缝隙天线的一种,被广泛应用于平面超宽带天线设计中.Vivaldi天线在理论上可以展宽带宽到无限大,但受限于加工工艺和尺寸,其增益提
高效果并不明显.文中立足于经典Vivaldi天线,在天线辐射前端加载对拓结构的介质,仿真结果表明相对带宽扩展了79.1％,在5.5 GHz与12GHz处提高增益达3 dBi.过孔矫正技术可以使天线辐射的相位分布更加均匀,提高幅度分布的口径效率.在对拓结构基础上,天线辐射端加载相位矫正的过孔阵列结构,仿真结果表明加载该技术后,天线提高增益2 dBi以上.包含以上两种技术的天线结构具有高增益、便于设计、小型化的特点,这为端射天线提高增益和增强定向性提供了新的思路. 【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2018(033)002
【总页数】6页(P202-207)
【关键词】Vivaldi天线;对拓结构;介质加载;过孔矫正;功率分配
链轮材料【作 者】唐尧;曹祥玉;高军
【作者单位】空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077
【正文语种】中 文
【中图分类】TN82
引 言
1979年,英国学者P.J Gibson首次提出了Vivaldi天线理论[1]．Vivaldi天线属于渐变缝隙天线的一种,因其具有加工简便以及小型化的优势被广泛应用于平面超宽带天线设计中,而且Vivaldi天线在理论上可以扩展到无限带宽．Vivaldi天线虽然优势明显,但要保持其宽带范围内的稳定高增益性能是研究的难点．近年来随着超材料的出现和快速发展,通过在辐射场前端加载超材料结构[2]、在天线侧面加载超材料结构[3]等手段,可以有效实现Vivaldi天线的小型化、简易化．这些方法可以有效改善Vivaldi天线在低频段的增益特性,但在高频段效果并不明显．本文在Vivaldi天线设计的基础上加载了具有对拓线性渐变结构的介质材料,仿真结果显示在9～14 GHz频段内增益提高3 dBi,有效改善了天线有效带宽内的方向性．该结构可以将原有的辐射场中的垂直极化转换为水平极化,相当于在天线与匹配之间添加一个过渡引向器,用来改善Vivaldi天线匹配和辐射特性．对拓结构有多种组合排列方式,本文通过优化设计,采用了2×20的对称阵列排布,仿真结果显示天线相对带宽扩展79.1%,在5.5 GHz与12 GH
z处提高增益达3 dBi,天线方向图的方向性更好．后期研究可以通过优化其排列方式和大小的不规则程度来进一步提高增益和带宽．
过孔矫正技术是指电磁波在过孔之间的主模TE10模相位传输速度大于无过孔阵列的相位传输速度,因此可以矫正电磁波传输的相位分布和幅度分布,使天线获得较高的口径效率．根据功率分配理论进行分析,天线口径的电磁波能量二等分,再根据子份中的功率密度分成若干等份的电磁波能量,由此天线的辐射能量分布较为均匀,传输效率得到有效提高．仿真结果表明加载该技术的天线提高增益2 dBi以上,天线方向图方向性更好．
天线上加载对拓结构介质和过孔矫正技术的天线结构具有高增益、便于设计、小型化的特点,这为端射天线提高增益和增强定向性提供了新的思路．
1 加载对拓结构介质的Vivaldi天线
快速厌氧胶涡轮分子泵1.1 单元结构
Vivaldi天线结构是一种介质基板双面印刷天线,其结构如图1所示,正面为金属辐射贴片结构,该结构包括指数渐变曲线槽线、矩形槽线和圆形腔体三部分,金属采用0.036 mm厚度的铜
箔,中间介质基板部分为介电常数2.2的纯聚四氟乙烯板,背面是扇形馈电结构,采用0.036 mm厚度的铜箔．通过建立适当的坐标系,可推导出渐变指数函数的数学表达式,系数c1和c2可通过式(2)和式(3)计算得到．
图1 加载对拓结构Vivaldi天线Fig.1 Vivaldi antenna loaded with antipodal structure
y=±(c1eδx+c2),
(1)
(2)
(3)
式中,δ为指数函数的渐变率．对拓结构的加载方式为在Vivaldi天线的辐射端增加介质,并在其上下表面刻蚀对称金属结构,本文采用的加载介质为RO4003,介电常数3.55,损耗角正切为0.002 9.经HFSS优化后,图1中对应各项参数如表1所示,其中b为天线宽度,d为天线长度,L0为渐变曲线长度,Wst为二级馈线宽度,Wst1为一级馈线宽度,α为扇形馈面角度,Dr为圆形腔体半径,d1为对拓结构长度,L1为上层三角形边长,L2为下层三角形边长．
表1 模型优化参数Tab.1 Parameters optimization in model参数bdL0WstWst1数值25mm25mm13 5mm1 27mm3 2mm参数αDrd1L2L1数值110°1 9mm3mm1 25mm1 125mm
1.2 仿真结果
利用HFSS软件进行仿真,图2所示为天线的S11曲线,由图可知S11在4～16 GHz带宽上得到了拓展,相对带宽扩展了79.1%,在11.4 GHz处最大降低到-27 dBi．天线的增益随频率的变化曲线如图3所示,由图可知增益在高频13 GHz频点处提高3 dBi,低频5.5 GHz处增益提高3 dBi．
图2 加载对拓结构S11变化曲线Fig.2 Change of S11 value with antipodal structure
图3 加载对拓结构增益变化曲线Fig.3 Change of gain value with antipodal structure
分析在高频12 GHz处φ角和θ角的变化曲线,如图4所示.E面在0°上增益明显提高了3 dBi,H面90°方向增益提高2.3 dBi,波束宽度变窄,天线方向性更好．
(a) φ角度(a) φ angle
(b) θ角度(b) θ angle图4 12 GHz处φ和θ角度增益变化曲线Fig.4 Gain value change of φ and θ angle at 12 GHz
图5所示为在天线辐射端观察到的电场分布图,发现电磁波在向外辐射过程中,口径越大,向外损失的功率越大,原始天线在辐射中很多能量损失在外层口径,如果能够有效地提高口径效率,减少外围的电磁波能量,能量将集中在辐射口端．基于此原理,本文在对拓结构的基础上采取过孔矫正技术．从功率的分配理论上分析,如图6所示将天线口径的电磁波能量二等分,再根据子份中的功率密度,进行电磁波能量四等分,依此法可以进行多次迭代计算,得出最优化结果．
图5 原始天线辐射端电场分布图Fig.5 Electric field distribution in the radiation
图6 功率分配理论Fig.6 Power distribution theory
2 加载过孔矫正的Vivaldi天线
矩形介质填充波导中电磁波TE10模可以通过矩形波导的H面宽度d来控制,公式如下:
(4)
式中:v0是介质中光速;v是介质填充波导中电磁波的相位速度;d是矩形波导的H面宽度;λ是介质中的工作波长．金属过孔阵列将天线四等分,外侧子阵列的H面宽度比内侧更窄,d的数值减小,所以外侧的电磁波传输速度比内侧更快,从而实现相位矫正．将该理论应用到天线中,建立仿真模型如图7所示．
图7 加载过孔矫正Vivaldi天线Fig.7 Vivaldi antenna loaded with slotting correction
Vivaldi天线原尺寸不变,渐变线外采用半径为0.25 mm的金属过孔,过孔间隔为0.8 mm,介质内侧采用半径为0.15 mm的非金属过孔,过孔间隔为0.6 mm．该过孔结构可以使天线辐射的能量更加均匀,方向图更好．
CC数据图8仿真结果S11参数基本保持不变,在12 GHz处抑制反射程度明显提高,能量大部分集中在主波瓣方向,有效提高了天线辐射效率．
图9所示天线加载过孔矫正技术后,矫正了相位的不均匀性,从而提高天线增益和缩小天线远场的波束宽度,各频点增益明显提高1 dBi以上,最大增益在12 GHz处提高2.8 dBi．
图8 加载过孔矫正后S11变化曲线Fig.8 Change of S11 value with slotting correction
图9 加载过孔矫正增益变化曲线Fig.9 Change of gain value with slotting correction
分析φ角和θ角的变化,如图10所示,在6 GHz、9 GHz、12 GHz频点处,E面在0°上增益均有1 dBi以上提高,H面增益提高2.1 dBi,波束宽度变窄,能量分配更均匀．
it运维系统详细设计图10 不同频率处φ和θ角度增益变化曲线Fig.10 Change of gain value with φ and θ angle
观察辐射端电场分布图11,从左到右依次为原始天线、加载对拓结构、加载过孔矫正,可以看出,电磁波辐射口径和辐射效率得到了改善,电磁能量集中在主波束方向,天线方向性增强．观察天线方向图,如图12,主瓣方向性较好,后瓣很小,能量集中在主瓣方向,符合天线设计要求．
图11 不同天线辐射端电场分布图Fig.11 Electric field distribution in the radiation
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