李鶴言，李 萍，蔣旭東

(1.武警工程學院研究生管理大隊，陜西西安 710086;2.武警工程學院通信工程系，陜西西安 710086)

通過改變印刷天線的形式降低UHF天線尺寸已經(jīng)成為研究的熱點。作為漸變槽線天線中的代表性類型，1979年由 P.J.Gibson提出指數(shù)漸變槽線天線(Vivaldi)具有寬頻帶、高增益、波束對稱和容易集成等特點[1]。通過在傳統(tǒng)Vivaldi天線的輻射區(qū)加載柵欄，改變了天線表面電流分布，提高了天線特性。

1 天線設計與仿真分析

常規(guī)Vivaldi天線結構如圖1所示，為介質基板雙面印刷天線。介質基板正面為帶指數(shù)漸變槽線、等寬度槽線和圓形諧振腔的金屬層，如圖中實線部分;背面為微帶饋線和扇形微帶短截線組成的饋電結構，如圖中虛線部分[2]。

一般地說，工作頻帶的低頻段介質波長，是對應槽線寬端最大寬度的2倍;而天線工作頻帶的高頻段則受到槽線窄端寬度的限制，窄端寬度一般為最高頻率波長的0.02倍。但是在實際設計制作中，由于需要考慮介質基板、天線尺寸大小等因素，槽線寬端可取低頻端頻率的介質波長1/6，槽線長約為1個介質波長，并能得到較好的天線特性。

圖1 Vivaldi天線結構圖

確定了槽線的兩端寬度H、WSL和長度L后，選取坐標原點，建立合適的坐標系，就可得出圖1中P1(x1，y1)和P2(x2，y2)兩點的坐標值。再由式(1)可推導出漸變指數(shù)函數(shù)的數(shù)學表達式，參數(shù)c1和c2通過式(2)和式(3)推出。

其中，R為指數(shù)函數(shù)的漸變率，決定天線的波束寬度，R的取值一般＜1。

選取介質基板材料FR4_epoxy，長為360 mm，寬為320 mm，厚度為2 mm。通過仿真優(yōu)化，確定槽線的寬端開口H約為68.5 mm，槽線窄端開口WSL為1.4 mm，槽線漸變率 R 取0.015[3-5]。

由于金屬貼片表面的電流較為分散，為將其更好地約束到漸變槽線附近，根據(jù)文獻[2]中的方法，在不改變原設計尺寸的前提下，在天線金屬貼片兩側開上多條幾何對稱柵欄，增強金屬槽線的輻射特性，如圖2所示。利用Ansoft HFSS11仿真，將掃頻范圍劃分為若干區(qū)間，確保數(shù)值色散誤差值降到最小。圖3和表1為結構改進前后天線駐波與增益的對比圖，可以看出天線的輻射特性得到顯著改善[6]。

表1 加載柵欄前后天線的輻射特性比較

雖然采用在天線金屬貼片兩側開上多條對稱幾何柵欄的方法一定程度上改善了天線的輻射性能，但通過研究天線E面和H面輻射方向圖，發(fā)現(xiàn)天線的尾瓣較大?？偨Y上述改進的經(jīng)驗，對天線結構作進一步改進，以減小后向輻射的尾瓣，進而提高天線的前向輻射性能。改進后天線的模型與實物如圖4所示。天線兩次改進后遠場E面和H面輻射方向圖對比如圖5所示[7]。

2 實測與分析

根據(jù)天線仿真確定數(shù)據(jù)尺寸大小，并加工制作了指數(shù)漸變槽線天線實物。測試使用 Agilent公司E5071C矢量網(wǎng)絡分析儀，校準頭型號8052D。測試范圍200～1 300 MHz，從圖6中可以看出天線的整體變化趨勢相近，實測駐波好于仿真結果，整體上天線實測結果表現(xiàn)出較好的寬頻帶特性。

3 結束語

通過Ansoft HFSS 11仿真軟件建立天線模型并進行仿真分析，提出了在天線兩側開柵欄和尾部加抗流柵欄的優(yōu)化方法，明顯改善了天線的電性能參數(shù)。實際加工制作了一副天線，測量結果表明，該天線克服了常規(guī)Vivaldi天線的不足，具有較寬的頻帶和穩(wěn)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]邊莉，趙曉妍.微帶線-槽線饋電的Vivaldi天線參數(shù)分析[J].黑龍江科技學院學報，2008，18(3):202-205.

[4]林強，張祖蔭，張兵.微帶巴倫設計[J].現(xiàn)代雷達，2004，26(10):61-64.

[5]邊莉，呂中志，金博識，等.關于Vivald超寬帶天線設計方案的研究[J].移動通信，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]陳雅娟，龍云亮.寬帶微帶貼片天線的研究進展[J].電波科學學報，1999(3):257-361.