一种具有陷波特性的Vivaldi天线设计

涂 升 焦永昌 宋 跃 张福顺 张 铮

(西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室,陕西西安 710071)

1.引 言

近年来,随着通讯技术的迅猛发展,天线广泛应用于电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信、探雷等军事方面,在高速无线LAN、家庭网络及无线电话等方面也有广泛的需求[1-2]。因此设计一种结构简单、性能良好的超宽带天线具有重大的现实意义。超宽带天线按最大辐射方向可分为全向超宽带天线和定向超宽带天线。平面单极子天线具有结构简单,易于集成等特点,是超宽天线的研究热点。传统的定向超宽带天线有螺旋天线、对数周期天线和加脊喇叭天线等,可以适合不同的实际工程需要,但也存在尺寸相对庞大,结构复杂的问题[3-4]。Gazit设计的微带馈电的Antipodal Vivaldi天线具有很宽的阻抗带宽。之后改良的带状线馈电的Antipodal Vivaldi天线改进了微带不平衡馈电引起的交叉极化高的问题[5-6]。微带线和带状线馈电的Vivaldi天线具有频带宽和交叉极化低等特点。

在传统Vivaldi天线的基础上,给出了一种利用双Y巴伦的微带-槽线过渡结构,使其可以工作在3.1～10.6 GHz。并且,通过在微带线上添加狭缝,在5.1～6.0 GHz频段使该Vivaldi天线实现了陷波特性,减少了与现存应用频带WLAN(5.125～5.825 GHz)相互间的影响。

2.天线设计

将Vivaldi天线应用于UWB频段,是因为Vivaldi天线具有宽带、交叉极化低、方向性好等特点,广泛应用于无线传输及雷达领域。图1给出了具有陷波特性超宽带Vivaldi天线的结构图,原点坐标选取为巴伦结构中心。天线尺寸为64 mm×71 mm,所选介质板的介电常数为2.65,损耗角正切值为0.003,厚度为0.635 mm。

该天线由传统的宽带Vivaldi天线,3节切比雪夫阶梯阻抗变换器及改进的双Y巴伦微带-槽线过渡构成。天线的渐变槽线由Vivaldi曲线决定,其曲线的表达式为

式中:C1,C2分别由渐变曲线的起始点和终止点决定;R为曲线的渐变因子(Opening Rate)。文中所设计的Vivaldi天线由内外两组Vivaldi曲线构成,渐变因子R分别为0.08和0.12;对应内Vivaldi曲线的C1=0.733,C2=-0.832,对应外 Vivaldi曲线的 C′1=10.644,C′2=-14.926 。

阻抗比为r的N节1/4阶梯阻抗变换器如图2所示,每节的长度L=λg0/4,电长度为

该阻抗变换器要求驻波比具有切比雪夫响应,即

式中:

Wq为变换器工作频带的分数带宽;λg1、λg2分别为最长和最短工作波长。当给定R、W q和ρmax时,所需阶梯阻抗变换器的最少节数N可以由如下条件

来确定。

图3(a)给出了使用双Y巴伦实现微带-槽线过渡结构的示意图,图3(b)给出了其对应的等效电路。双Y巴伦基于6端口双Y结型网络,由围绕结构中心交替分布的3条平衡线和3条非平衡线组成。若忽略节点效应且其他四个端口匹配,则每两个相对端口是非耦合的,由非平衡端口输入的信号将等分到其他四个端口。同理,从平衡端输入的信号也将等分到其他四个输出端口,但是每两个相对端口相位相反。见图3(b),桥路中的电阻沿相应方向到节点是变化的。当节点效应被忽略且桥路成对称结构时,即有Z2=Z5=Za和Z3=Z6=Zb,其阻抗矩阵可表示为

式中:

若4端口为实阻抗Zo,则1端口的输入阻抗Z in可表示为

因为Za=j Xa,Zb=-j Xb,基本变化后可得到

成立时,输入阻抗Zin即为实数且与4端口阻抗匹配。当该结构用于巴伦设计,为了使信号在相对的平衡与非平衡端口间有效传输,相对的两对传输线则应该具有相位相反的反射系数。当其一为开路,另一端就应该为短路,此时即可满足要求,并且同时完成微带-槽线的结构过渡。

为减少与其他现存应用频段的相互影响[9],通过在微带线上添加狭缝使天线具备陷波特性。对于UWB超宽带天线,通常实现频带抑制的方式是在辐射单元上添加狭缝,例如U型槽、弧形槽等。但是这些方法会导致水平方向面电流增强,提高了交叉极化。另一种实现频带抑制的方式是在辐射单元附近添加寄生结构,等效于滤波器实现频带隔离。本文中通过在微带线上添加狭缝,实现频带抑制,有效地减少了与 WLAN应用频带(5.125～5.85 GHz)的相互影响。狭缝的长度控制抑制频带的中心频率,当狭缝长度大约等于响应频率对应一半波长时,实现一定频带的隔离。通过调节狭缝的长度,可以得到合适的陷波特性。本文中所设计的Vivaldi天线阻带狭缝的长度选择约为21.8 mm。

3.仿真与实验结果

图4给出了具有陷波特性Vivaldi天线的实物照片。天线尺寸为64 mm×71 mm,厚度为0.635 mm,槽线宽度为0.2 mm,内外两Vivaldi曲线构成的渐变因子R分别为0.08和0.12。

图4 天线实物照片(双Y巴伦)

对所设计的双Y巴伦微带-槽线变换器(与多支节阻抗变化器相连)进行了仿真实验,图5给出了2～11 GHz反射系数S11和传输系数S21的仿真结果。可以看出双Y巴伦微带-槽线过渡结构的反射系数在-10 dB以下的带宽约为8 GHz(3～11 GHz),在较高频段,由于结构的电长度增长,使得该微带-槽线过渡结构在高频段的损耗增加。使用矢量网络分析仪WILTRON37269A对该天线进行了测试,测得的VSWR曲线如图6所示,VSWR≤2的阻抗带宽为2.6～5.1 GHz及6.0～10.8 GHz。

与图6中给出的仿真结果相比较,能看出高、低频段的VSWR均有些差异。这主要是由于加工误差、介质材料介电常数不稳定和计算过程中未记入SMA同轴接头等原因引起的。其中SMA接头会引入随频率变换的电抗,导致谐振点位置的变化,尤其对高频段影响很大。图7给出了天线陷波特性随着阻带狭缝长度Ls变化的仿真图,可以明显地看出狭缝长度对抑制频带频率位置的控制作用,说明通过调节狭缝的长度可以得到所需的隔离频带。图8给出了在微波暗室测得的天线远场E面(E-plane)和H面(H-plane)辐射方向图。可以看出,频带内辐射方向图前后比大于10 dB,交叉极化低于 -15 dB。图9给出了该天线在UWB频率范围内的实测增益,在抑制频带范围内天线的增益明显下降,体现了天线的陷波特性。

图9 天线实测增益(Gain)

4.结 论

论述了一种具有陷波特性的超宽带Vivaldi天线。从实验测试结果来看,该天线具有良好的定向辐射特性,阻抗带宽约为4:1,覆盖了除抑制频带(5.1～6.0 GHz)以外的整个超宽带频率范围3.1～10.6 GHz(VSWR≤2),具有对WLAN应用频段(5.125～5.825 GHz)较好的隔离特性。其测量结果与仿真结果基本吻合,证明了该天线设计的正确性,所设计的天线可以广泛应用于军用和民用超宽带通讯领域。

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