一种新型超宽带双极化EMC测量天线

印 倩，李丽娴，邵晓龙，荣志鹏，吴翠翠

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

0 引言

无线通信的迅猛发展，对天线方向图提出了更加苛刻的指标，为了能够准确验证天线的辐射性能，暗室测试场的重要性不言而喻。EMC测量天线作为测试场中较为关键的设备之一，要求其具有宽频带、对称且平缓的方向图和较低的交叉极化等性能[1-3]。目前，暗室使用的EMC测量天线大多为矩形波导喇叭或者加脊喇叭，受限于频带宽度，通常需要准备多种频率的喇叭，且频率越低，波导喇叭尺寸越大，重量越重。

1979年Gibson首次提出Vivaldi天线结构[4]，这是一种非周期的行波天线，由较窄槽线过渡到较宽槽线，槽线为指数曲线，辐射原理与TEM模喇叭天线类似。微带馈电的Vivaldi天线具有很宽的阻抗带宽和较高的天线增益，文献[5]设计了一种介质板带状线形式的Vivaldi天线，采用在天线谐振区域边缘加入金属隔离墙的方法，有效去除天线单元工作频段内的谐振；文献[6]设计了一种5倍频程的Vivaldi天线，带宽为2.7～15 GHz。

本文在结构小型化的基础上，设计了一种新型超宽带双极化EMC测量天线，通过合理设计馈电结构、馈电位置以及谐振腔尺寸，有效降低了天线尺寸。

1 Vivaldi天线基本原理

Vivaldi天线由槽线激励，通过微带线将能量耦合到缝隙进行馈电[7-8]，基本模型如图1所示。天线主要由金属辐射贴片、微带线馈线和介质基板组成。其中金属辐射贴片蚀刻于介质基板一侧，包括圆形谐振腔、矩形槽线和指数渐变曲线槽线，圆形谐振腔的位置、尺寸和矩形槽线的长度可以有效改善天线驻波。

图1 Vivaldi天线基本模型Fig.1 Schematic diagram of Vivaldi antenna

当Vivaldi天线工作在匹配状态时，不同工作频率对应着指数渐变曲线槽线上各不同辐射部分，而各辐射部分相较于不同频率信号的波长的电长度为定值，因此Vivaldi天线相较于普通喇叭天线具有很宽的频带和波束宽度[9-11]。

根据天线的行波机制，指数渐变曲线槽线的长度大于λ0(λ0为最低工作频率的自由空间波长)，槽线末端开口宽度大于λ0/2，且天线的高频辐射特性受到指数渐变曲线窄端开槽宽度的影响，反之低频辐射特性受到渐变曲线最大开缝宽度影响[12-13]。

微带线馈线部分位于介质板另一侧，增加多段匹配段以满足阻抗匹配要求，且末端以扇形金属贴片代替1/4波长的微带短路线，有效提高天线匹配特性。

天线渐变槽线为指数曲线，满足：

y=C1eax+C2，

式中，设渐变曲线两端点分别为A1(x1，y1)，A2(x2，y2)，则系数C1，C2为：

与其他类型天线相比，Vivaldi天线具有以下优点：设计结构比较简单，易于加工和批产；工作频带较宽，具有良好的方向性；天线极化方式为线极化，适用于探头天线。

2 EMC测量天线设计

利用ANSYS HFSS电磁仿真软件对EMC测量天线进行仿真分析，其结构模型如图2所示。EMC测量天线由2个相同的Vivaldi单元，在其两端各自开设一道槽缝，通过十字正交的方式进行组合，实现双线极化。

图2 EMC测量天线仿真模型Fig.2 Simulation model of the antenna

将Vivaldi天线作为EMC测量天线使用时，要求其带宽宽、方向图对称且平缓。通过合理调节、优化Vivaldi的指数渐变缝隙各参数，以及微带馈线的位置，设计出符合带宽和方向图要求的EMC测量天线。仿真结果表明，当Vivaldi天线尺寸为160 mm(口径)×133 mm(高度)时，天线在0.6～6 GHz频带内，方向图在±55°内平缓、无凹坑。

经过仿真分析，2个Vivaldi天线分别馈电时，辐射方向图一致。图3为端口隔离仿真图，由图3可知，整个频带内2个输入端口之间的隔离度≥28 dB；利用脉冲矢量网络分析仪N5242A对所设计的EMC测量天线的两端口隔离测试，如图4所示。图5为1个端口加载激励时天线仿真/实测方向图，在0.6～6 GHz频带范围内，探头天线的增益为1.19～9.25 dB，交叉极化>25 dB，方向图在±55°范围内平缓、无凹坑，仿真和实测基本一致。

图3 EMC测量天线输入端口隔离度仿真图Fig.3 Simulation diagram of the antenna isolation

图4 EMC测量天线输入端口隔离度实测图Fig.4 Measured drawing of the antenna isolation

(a)f=0.6 GHz

(b)f=3 GHz

(c)f=6 GHz图5 EMC测量天线仿真/测试方向图Fig.5 Simulation pattern and measured pattern of the antenna

3 实物加工

本文设计的一种新型超宽带双极化EMC测量天线，其加工实物图如图6所示，在天线底座设计了4块金属块对2个相同Vivaldi天线进行固定，最终尺寸为160 mm(口径)×133 mm(高度)，相较于传统Vivaldi天线[7-8]，设计的天线具有更小的几何尺寸。

图6 EMC测量天线实物Fig.6 Actual picture of the antenna

4 结束语

本文提出一种10倍频程的新型超宽带EMC测量天线，将2个相同Vivaldi天线分别开槽、十字正交安装，并在天线外侧增加天线罩。这种新型探头天线具有双极化、超宽带、重量轻、体积小、方向图平缓、交叉极化低和端口隔离高等特点，能够很好地替代传统的矩形波导喇叭探头，在天线测量领域内，具有较好的应用前景。