渐变槽天线端射特性优化设计

王友成 董明宇 张 锋 叶盛波 纪奕才 方广有 张晓娟



渐变槽天线端射特性优化设计

王友成*①②董明宇③张 锋①叶盛波①纪奕才①方广有①张晓娟①

①(中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室 北京 100190);②(中国科学院大学 北京 100049);③(中国电力科学研究院用电与能效所 北京 100085)

该文在优化渐变槽天线结构基础上，采用栅形开槽和加载周期结构，设计了一款平面端射天线。通过数值模拟，分析了栅形开槽和周期结构对天线辐射特性的影响。该结构在1~3.5 GHz频带内，明显改善了渐变槽天线的端射特性。天线样机测试结果表明，该天线在1~3.5 GHz内，驻波系数小于2，增益约为7 dBi。天线的群时延相对平坦，时域波形振铃较小，可以应用于脉冲体制雷达。

天线；渐变槽；增益；小型化

1 引言

脉冲体制雷达具有高分辨、非破坏性和快速成像等优点，并广泛应用于道路结构缺陷检测、桥梁隧道检测等。天线作为前端传感器，其性能的优劣对雷达的探测性能具有重要的影响。常用于脉冲体制雷达的天线包括：带金属背腔的平面印制蝶形天线及其变形、喇叭天线、平面端射渐变槽天线等。其中，渐变槽天线具有低剖面、方向性好、容易组阵等优点。在阵列雷达应用中，阵列天线单元需要具有紧支撑的结构，以及较好的辐射特性。因此，渐变槽天线获得众多研究者青睐。对天线的辐射臂进行栅状开槽，能够有效改善天线前后辐射比并降低副瓣[15]。在天线端面上利用周期结构，构成人工电磁材料，改变天线辐射末端区域折射率，能够改善天线增益[16]。本文采用经典电磁耦合的馈电结构，指数渐变槽构成天线臂，并对天线臂末端进行圆弧形处理。通过仿真进一步分析了栅状开槽(Slot)和周期结构(Periodic Structure, PS)加载对天线特性的影响。最后，加工了一对天线并对其进行了频域和时域特性测试。本文第2节介绍了天线的几何结构和仿真结果，第3节给出了天线的测试结果，第4节为结论。

图1 天线结构图

2 天线设计与仿真

2.1天线几何结构

表1天线结构参数(mm)

L1L2L3L4W1W2W3 202.8742.805.0016.45158.602.004.40 W4W5W6W7R 6.600.150.301.0011.5985o

2.2 数值仿真结果

利用高频电磁仿真软件HFSS对天线特性进行了数值模拟。仿真设计包括：常规渐变槽天线(Regular)，栅状开槽(Slot)和增加周期结构(Slot+ PS)。为了分析开槽结构和周期结构对天线端射特性的影响，仿真分析了其辐射特性。图2给出了天线在2 GHz频点处表面电流分布仿真结果，从图2中可以看出，通过馈电处扇形枝节的电磁耦合，电流沿槽线向天线张开的末端流动。明显可以看到，能量束缚在槽线中。当槽线逐渐张开时，能量将会向外辐射。在天线槽线张开的末端，电流沿边缘分布；靠近末端的栅状开槽，延长了电流的路径，这有利于拓展天线的带宽。加载在天线臂末端的周期结构部分表面电流分布如图2中箭头所指的局部放大图所示，可以看到周期结构表面产生了较弱的感应电流，正对着槽线处的周期结构单元感应电流相对较强，这种感应电流对槽线张口处的辐射有引向器的作用，这意味着天线的增益能得到改善。在图3中，分别比较了这3种天线的驻波仿真结果。可以看出，栅状开槽后，低频段阻抗匹配变差，导致在0.5~1.0 GHz之间驻波出现突起。实际上，栅状开槽结构延长了天线辐射臂末端电流路径，有利于拓展低频。但天线臂开槽之后，天线的输入阻抗会发生变化，相应需要调整匹配。本文为了研究应用于1.0~3.5 GHz频段天线辐射特性，并未对栅状结构的尺寸进行优化。当增加栅状和周期结构之后，天线的驻波特性在1.0 GHz以上，基本保持不变。图4给出了天线增益仿真结果，从图中可以看出，栅状开槽以后，天线增益明显得到增强。在0.5~1.8 GHz频带内，栅状结构使得天线增益增加约3 dB；在高频段，天线增益基本保持不变。在栅状开槽基础上，增加周期结构，在高频段能够进一步改善天线的增益。这也说明周期结构在保证电磁波透射的同时，有着引向的作用。图5-图8分别仿真了天线面和面归一化辐射方向图。其中，图5和图6分别对应面在频点2 GHz和3 GHz辐射模式。从图中可以看出，天线方向图呈端射特性。栅形开槽之后，天线的后向辐射明显减小、副瓣降低。在栅形开槽基础上再增加周期结构，天线的副瓣和后向辐射得到进一步抑制。

图2 天线2 GHz表面频点电流分布仿真结果

3 天线测试结果

为验证设计思路，加工了一对天线样机，并用安捷伦网络分析仪E5071C对其进行了测试。天线样机的整体尺寸为203 mm159 mm 。天线的驻波系数实测与仿真结果如图9所示，实测与仿真吻和良好。在1.0~3.5 GHz频带内，天线的驻波系数小于2。将两个天线样机端对端放置，采用双天线法对天线的增益进行了测试。天线增益测试结果与仿真结果比较如图10所示。实测结果与仿真结果趋势一致，在个别频点低于仿真值。这是因于天线测试时环境噪声、测试平台反射等因素所导致。将两个天线样机置于自由空间中，端对端相隔0.78 m放置，通过矢量网络分析仪的时频转换功能测量天线的时域特性。天线群时延测试结果如图11所示，在1.0~ 3.5 GHz频带内，群时延保持平坦，基本保持在5 ns。这说明天线具有良好的传输特性，能够辐射低振铃的时域波形。图12为天线时域辐射波形测试结果。图12(a)为矢量网络分析仪源波形，图12(b)为天线辐射波形。从图中可以看出，该天线的时域波形具有较低的拖尾振铃，说明该天线能够较好地应用于脉冲体制雷达中。

图3 驻波系数仿真结果 图4 天线增益仿真结果 图5 天线在2 GHz频点yoz面方向图仿真结果

图6 3 天线在3 GHz频点yoz面方向图仿真结果 图7 天线在2 GHz频点xoz面方向图仿真结果 图8 天线在3 GHz频点xoz面方向图仿真结果

4 结论

本文在优化常规平面端射渐变槽天线基础上，对天线臂进行栅形开槽处理，并在天线末端增加周期结构。利用电磁仿真软件，对天线的驻波系数以及辐射特性进行了分析。仿真结果表明，渐变槽天线经过栅形开槽处理后，天线波束得以锐化，副瓣和后向辐射得到抑制，天线的增益得到了提高。天线臂末端的周期结构，可以进一步改善天线的前后辐射比和增益。为了验证设计思想，加工了一对天线并对其测试。测试与仿真结果吻合良好。测试结果表明，该天线在结构紧凑的前提下，栅形开槽和周期结构改善了天线增益。在0.5~1.8 GHz频段，增益提高近3 dB。在1.0~3.5 GHz内，天线驻波系数小于2。将一对天线端对端进行测试，测试结果表明天线的传输函数具有平坦的群时延。天线的时域辐射波形也具有较低的拖尾振铃。该天线具有低剖面、高增益、时域特性良好的特点，可以应用于脉冲体制阵列雷达应用中。

图9 VSWR实测与仿真结果比较 图10 天线增益实测与仿真结果比较

图11 实测群时延 图12 实测时域波形

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王友成： 男，1986年生，博士生，研究方向为时域超宽带雷达天线设计及应用.

董明宇： 女，1987年生，硕士，研究方向为电力及自动化控制.

张 锋： 男，1984年生，博士，研究方向为超宽带天线理论及应用.

叶盛波： 男，1984年生，博士，研究方向为基于FPGA探地雷达系统设计.

纪奕才： 男，1974年生，博士，研究方向为超宽带天线、计算电磁学、超宽带雷达.

方广有： 男，1963年生，博士，研究员，研究方向为超宽带雷达成像理论、方法与技术，月球与深空探测科学载荷技术，探地雷达、地球物理电磁勘探、太赫兹成像等方法与技术.

张晓娟： 女，1964年生，研究员，研究方向为非均匀媒质电磁散射与逆问题、微波成像新方法及应用、电磁遥感机理、电磁遥感信号处理、电磁遥感系统仿真、天线技术.

Design of Tapered-slot Antenna with Optimized End-fire Characteristics

WANG Youcheng①②DONG Mingyu③ZHANG Feng①YE Shengbo①JI Yicai①FANG Guangyou①ZHANG Xiaojuan①

①(,,100190,);②(,100049,);③(,100085,)

Based on optimized geometry structure of tapered slot antenna, an end-fire printed antenna is designed with rectangular-grooved and periodic structure. Its effects on the radiation pattern of antenna is studied and simulated. From 1 GHz to 3.5 GHz, those structures improve the end-fire characteristics of the antenna obviously. Finally, pairs of antennas are constructed and measured. The measured results show that VSWR is smaller than 2 and the gain is approximately equal to 7 dBi from 1 GHz to 3.5 GHz. The measured transfer characteristics results show that the antenna achieves a stable group delay and a low late-time ring. The antenna can be applied to the impulse radar.

Antenna; Tapered-slot; Gain; Compact

TN957.2

A

1009-5896(2017)01-0124-05

10.11999/JEIT160203

2016-03-03；改回日期：2016-07-05；

2016-09-30

王友成 wangyoucheng99@163.com

国家863计划项目(2012AA061403)，北京交通行业科技项目(7C1405473)

The National 863 Program of China (2012AA 061403), The Technical Program of Beijing Transportation Industry (7C1405473)