改进型Vivaldi天线

李鹤言，李 萍，蒋旭东

(1.武警工程学院研究生管理大队，陕西西安 710086;2.武警工程学院通信工程系，陕西西安 710086)

通过改变印刷天线的形式降低UHF天线尺寸已经成为研究的热点。作为渐变槽线天线中的代表性类型，1979年由 P.J.Gibson提出指数渐变槽线天线(Vivaldi)具有宽频带、高增益、波束对称和容易集成等特点[1]。通过在传统Vivaldi天线的辐射区加载栅栏，改变了天线表面电流分布，提高了天线特性。

1 天线设计与仿真分析

常规Vivaldi天线结构如图1所示，为介质基板双面印刷天线。介质基板正面为带指数渐变槽线、等宽度槽线和圆形谐振腔的金属层，如图中实线部分;背面为微带馈线和扇形微带短截线组成的馈电结构，如图中虚线部分[2]。

一般地说，工作频带的低频段介质波长，是对应槽线宽端最大宽度的2倍;而天线工作频带的高频段则受到槽线窄端宽度的限制，窄端宽度一般为最高频率波长的0.02倍。但是在实际设计制作中，由于需要考虑介质基板、天线尺寸大小等因素，槽线宽端可取低频端频率的介质波长1/6，槽线长约为1个介质波长，并能得到较好的天线特性。

图1 Vivaldi天线结构图

确定了槽线的两端宽度H、WSL和长度L后，选取坐标原点，建立合适的坐标系，就可得出图1中P1(x1，y1)和P2(x2，y2)两点的坐标值。再由式(1)可推导出渐变指数函数的数学表达式，参数c1和c2通过式(2)和式(3)推出。

其中，R为指数函数的渐变率，决定天线的波束宽度，R的取值一般＜1。

选取介质基板材料FR4_epoxy，长为360 mm，宽为320 mm，厚度为2 mm。通过仿真优化，确定槽线的宽端开口H约为68.5 mm，槽线窄端开口WSL为1.4 mm，槽线渐变率 R 取0.015[3-5]。

由于金属贴片表面的电流较为分散，为将其更好地约束到渐变槽线附近，根据文献[2]中的方法，在不改变原设计尺寸的前提下，在天线金属贴片两侧开上多条几何对称栅栏，增强金属槽线的辐射特性，如图2所示。利用Ansoft HFSS11仿真，将扫频范围划分为若干区间，确保数值色散误差值降到最小。图3和表1为结构改进前后天线驻波与增益的对比图，可以看出天线的辐射特性得到显著改善[6]。

表1 加载栅栏前后天线的辐射特性比较

虽然采用在天线金属贴片两侧开上多条对称几何栅栏的方法一定程度上改善了天线的辐射性能，但通过研究天线E面和H面辐射方向图，发现天线的尾瓣较大。总结上述改进的经验，对天线结构作进一步改进，以减小后向辐射的尾瓣，进而提高天线的前向辐射性能。改进后天线的模型与实物如图4所示。天线两次改进后远场E面和H面辐射方向图对比如图5所示[7]。

2 实测与分析

根据天线仿真确定数据尺寸大小，并加工制作了指数渐变槽线天线实物。测试使用 Agilent公司E5071C矢量网络分析仪，校准头型号8052D。测试范围200～1 300 MHz，从图6中可以看出天线的整体变化趋势相近，实测驻波好于仿真结果，整体上天线实测结果表现出较好的宽频带特性。

3 结束语

通过Ansoft HFSS 11仿真软件建立天线模型并进行仿真分析，提出了在天线两侧开栅栏和尾部加抗流栅栏的优化方法，明显改善了天线的电性能参数。实际加工制作了一副天线，测量结果表明，该天线克服了常规Vivaldi天线的不足，具有较宽的频带和稳定的增益。

[1]GIBSON P J.The vivaldi aerial[C].Brighton，UK:Proceedings of the 9th European Microwave Conference，1979:101-105.

[2]LIM T G.，ANG H N，ROBERTSON I D，et al.Tapered slot antenna using photonic bandgap structure to reduce substrate effects [J].Electronics Letters，2005，41(7):393-394.

[3]边莉，赵晓妍.微带线-槽线馈电的Vivaldi天线参数分析[J].黑龙江科技学院学报，2008，18(3):202-205.

[4]林强，张祖荫，张兵.微带巴伦设计[J].现代雷达，2004，26(10):61-64.

[5]边莉，吕中志，金博识，等.关于Vivald超宽带天线设计方案的研究[J].移动通信，2008(6):80-83.

[6]PARFITT A，GRIFFIN D，COLE P.Mutual coupling between metal strip antennas on finite size，electrically thick dielectric substrates [J].IEEE Trans.On Ant.Prop，1993，41(9):108-115.

[7]陈雅娟，龙云亮.宽带微带贴片天线的研究进展[J].电波科学学报，1999(3):257-361.