超宽带异面Vivaldi接收天线的设计与研究

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        1  引言

        Vivaldi天线是Gibson 于1979年提出一种行波天线，它由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。在不同的频率上，它的不同部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分相对于对应的不同频率信号的波长电长度是不变的，因此理论上讲，它有很宽的频带，并在这个频率范围内具有相同的波束宽度。该天线的几何参数多，特别是馈电结构的设计是技术难点，国内外参考文献的馈电结构设计只是停留在实验设计阶段。
         
        由Vivaldi天线组成天线阵列的单元具备宽带的性能, 可以实现超宽带阵列,与其他天线相比, 如加脊喇叭、螺旋天线、对数周期天线、开槽天线等等. Vivaldi天线由于其微带结构适合于集成化,因此在今天得到了广泛的使用.
         
        作为阵列单元使用的山天线也具有优良的性能, 可以由它们组成单极化和双极化的阵列, 用于宽带天线阵列或宽频带宽扫描角的相控阵中。同时由于天线是一种结构简单的平面天线, 可以用印刷技术将它与其他模块集成为一体, 所以它被用于各种测量接收系统中, 用来探测频率带宽较宽的电磁波信号。
         
        天线的辐射是端射式的, 电场矢量平行于介质基板, 在它的两个主要的辐射面上辐射场是线性极化的, 在面和面之间的平面上是椭圆极化。它的辐射场在面和面有几乎相同的波束宽度, 具有很好的对称性, 很低的旁瓣和交叉极化电平。
         
        Langley等人研制了一种由带状线馈电的双面对称结构的Vivaldi天线。另外，Linardou等人提出了利用共面波导馈电的Vivaldi天线。在国内对其研究仅停留在改进设计阶段，并没有从理论层面上分析Vivaldi天线各个参数对天线性能的影响。
         
        2  Vivaldi天线的分析

        Vivaldi 天线属于行波天线，目前还没有成熟有效的设计理论用来优化设计，但一些基于时域有限差分法的仿真软件是可以较精确建模行波天线的，如CST Microwave Studio。

          

        图1  接收天线结构图

         
        如图1所示，开槽天线的两页金属位于介质基片的两面，与普通的共面vivaldi天线不同。介质采用 ，厚度 , 的基片，纵向取为y轴，横向取为x轴，金属部分中间的对数渐变曲线为C1，外侧对数渐变曲线为C2，方程如下曲线 ：
          （1）
        曲线 ：
        （2）
         
        由方程看出，参数c1和c2是影响曲线变化速度最明显的参数，它们也直接影响天线的开口大小，进而影响接收天线的低频特性，即在频率较低时反射系数的优劣。通过扫描，发现c1和c2对S11参数的影响如图2。
         

       

        （a）参数c1对S11的影响

       

        （b）参数c2对S11的影响

        图2  参数c1和c2对S11的影响图

         
        从图2可以看出，c1和c2对S参数确实有明显的影响，当c1=66，c2=26时，S参数存在最优解，优于它们取其他值的情况。经过扫描，发现方程内其他参数对天线性能也有些影响，还有倒角半径r也会影响S参数，取r=30时为最优，如图3。

       

        图3  倒角半径r对S参数的影响

         

        经过优化，得到未加巴伦过渡时单天线的最优参数表如下
        表1  未加巴伦过渡时单天线的最优参数表

r	a1	a2	b1	b2	c1	c2	d1	d2
30	6.45	-4.05	1.2	1.3	66	26	0.1	0.1

         
        按照表1所取参数，通过仿真，得到S参数如图4，方向图如图5.

       

        图4  优化后天线S参数图

       

        图5  优化后天线各频率E面方向图

         
        由图4可以看出，未加巴伦时天线的最低频率为318MHz（以-10dB为标准），但是在450MHz和750MHz处存在两个小的阻带，这是由于馈电处的阻抗不匹配造成的。从图5可以看出，该天线在各个频率的方向图相差不大，E面方向图有良好的全向性，即对接收时天线的摆放角度要求不高，这对于接收天线是必须要求的。
         
        3  线性渐变巴伦过渡的设计

        如图6所示，该巴伦过渡为从微带到平行双线的过渡，介质基片采用和天线一样的材料，，厚度,长宽 。为了使结构简单，易于加工，从微带段到双线段采取线性过渡。为了验证过渡效果，采取背靠背过渡形式进行检验。

       

        图6  天线的平衡馈电巴伦设计

       

        （a）参数w1对巴伦S11的影响

       

        （b）参数w2对巴伦S11的影响

        图7  参数w1和w2对巴伦的S11参数影响图

         
        通过扫描参数，发现对过渡影响最大的参数为w1和w2，它们对S11的影响如图7所示，当w1=9.85,w2=5.49时，过渡的效果最理想。在DC-3GHz频段内，S11均优于-15dB。这为降低和消除未加过渡时天线的阻带做好了准备。
         
        4  整体天线效果

        将过渡段的微带端口作为馈电端，将平行双线端与原天线的馈电端平滑相连，得到加入巴伦后整体天线，介质基片为，厚度,长宽 ，如图8所示，由此天线仿真得到的结果如图9所示，E面方向图如图10所示。

       

        (a) 正面图         （b）背面图

        图8  加过渡后整体天线图

          

        图9  加过渡后天线S参数图

         
        由图9可以看出，通过加入过渡器，S参数已经得到了改善，在300MHz~3GHz频段内，反射系数低于-10dB；由图10，在整个频带内，E面方向图有较稳定的全向性，这是接收天线的优良特性。从图11看出，在300MHz时，增益为1.04dB,在3GHz时，增益达到8.7dB，对线极化接收天线和多极化天线阵列有较高研究价值。

       

        图10  加过渡后E面方向图

       

        图11  天线增益vs频率

         
        5  结论及展望

        分析设计了超宽带异面Vivaldi天线，作为线极化接收天线，它有良好的低频特性和全向特性，S11<-10dB带宽为300MHz~3GHz，为线极化接收系统提供了一个很好的选择。
         
        作为一种宽带的、高增益的、有对称波束和容易集成的平面天线, Vivaldi天线被用来发现电磁干扰, 监视有用的信号、传输和接收短脉冲。在军事上,用天线组成的相控阵可用来接收来自不同方向不同频率的极化方式不一样的各种电磁信号, 这种阵列还被用在射电天文, 遥测遥感等各种宽带测量系统以及多波束卫星通信系统和空间功率分配技术中。另外, Vivaldi天线组成的阵列可以作为抛物面天线和透镜天线的馈源。