一种小面积馈电共面Vivaldi天线

一种小面积馈电共面Vivaldi天线
白红燕;张旭翔;吴其磊
【摘要】设计了一种小面积馈电、增益平稳的小型化共面Vivaldi天线.该天线馈电部分的设计基于等效电路分析方法,通过在馈电耦合处设计了弯折型馈电微带线槽边短路与槽线开路的结构,有效减小了天线馈电面积.在此基础上,运用线性渐变的四分之一波长开槽及槽间寄生贴片加载技术,显著提高并稳定了天线增益.利用电磁仿真软件HFSS对该天线进行了建模分析.仿真结果表明该天线平面尺寸为
60mm×53.1mm,工作频段为3~11 GHz,在工作频带内增益稳定在7~9 dBi内,辐射效率超过80%,波束稳定,满足室内通信测量及探测成像等领域的FCC超宽带应用需求.%A small feeding area, miniaturized coplanar Vivaldi antenna with a stable gain was designed. Based on the equivalent circuit analysis method, the feeding structure of the proposed antenna was obtained by using an open-circuited slot line and a folded feeding micro-strip line, which was short-circuited in the slot side, on the coupling area to reduce feeding area effectively. Meanwhile,the antenna gain was improved and stabilized remarkably by using the linearly gradient quarter-wavelength slot andtheparasitic patch loaded technology insidetheslot. The dimensions of the antenna were simulated with electromagnetic simulation software HFSS.Simulation results indicate that the antenna with the size of
60mm×53.1mm has a working band of 3-11 GHz. In this wideband, the proposed antenna, with a gain stabilized within 7-9dBi, a high radiation efficiency of above 80% and a stable beam,can meet the requirements of
the FCC ultra-wideband applicationsofindoor communication measurement,detection imaging and other areas.
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2017(036)003
【总页数】5页(P72-76)
【关键词】共面Vivaldi天线;小面积馈电;开槽;寄生贴片;小型化;增益平稳
【作者】白红燕;张旭翔;吴其磊
【作者单位】南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京 210003;南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏南京 210003;南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏
南京 210003
【正文语种】中文
【中图分类】TN822
近年来，超宽带天线已广泛应用于无线通信、生物医学探测以及雷达系统等领域[1-4]。

由于超宽带天线通常会使用在各种终端中，则必须面对低剖面、结构简单、小型化等要求，性能与尺寸之间的权衡成为考虑的重点。

其中Vivaldi天线由于其工作频带宽、增益稳定、波束对称、便于集成与结构简单等特点，已进入超宽带天线应用的优先选择行列。

一般来说，渐变槽线天线的设计主要集中在渐变槽线外形和馈电方式上，槽线外形主要作用在于满足天线的辐射条件并控制天线的方向图形状，而天线带宽很大程度上由馈电部分决定。

对于共面Vivaldi天线来说，馈电结构的设计主要集中在槽线和其他传输线的转换结构上，Vivaldi天线的主要馈电结构有同轴线-槽线馈电、共
面波导-槽线馈电和微带线-槽线馈电三种。

其中应用较广泛的馈电形式是微带线-
槽线耦合馈电。

传统的微带线-槽线Vivaldi天线，其槽线末端为圆形结构，是为
了扩宽阻抗带宽，但增长了天线纵向长度，文献[5]提出了一种改变圆形槽线位置，移至槽线一侧，减小了天线纵向尺寸，但天线增益较低，波束不稳定。

本文设计的Vivaldi天线对传统的微带线-槽线Vivaldi天线的耦合馈电形式做出了改进，基于馈电部分等效电路分析，首次采用了在馈电耦合处直接通过弯折型微带线短路与槽线开路实现微带线与槽线转换匹配的结构，有效减小了馈电面积。

同时应用了天线边缘两侧线性渐变开槽技术及设计的槽间弧形导体加载抑制表面波，明显提高了天线增益。

微带线-槽线馈电Vivaldi天线结构如图1所示，天线的电磁辐射是由较窄的槽线
端过渡到较宽的槽线端，槽线的过渡按照指数变化规律进行，其馈电耦合结构为虚线框部分，由此部分得到简化的微带线-槽线馈电基本结构如图2所示，天线背面为终端开路微带线，正面为终端短路槽线，微带线垂直于槽线并穿过槽线，微带线与槽线重合中心为耦合处，穿过槽线的开路微带线延长部分长度为微带线导波波长1/4，短路槽线在微带线另一侧延长部分长度为槽线导波波长四分之一。

经过进一步分析，微带线-槽线馈电等效电路图如图3所示，Zom和Zos分别为
微带线和槽线的特征阻抗，qm和qs分别为延长出来的开路微带线和短路槽线在
中心频点的电长度，Cm代表开路微带线终端形成的电容，Ls为短路槽线终端造
成的电感，电路中Zant为辐射部分渐变槽线输入阻抗，为了简化分析，令
Zant≈Zo s，过渡槽线与渐变槽线交界处反射较小，n则表示微带线到槽线的耦合
比例，文献[6-8]中给出了n的闭式形式。

在图3（a）中，Xm与Xs分别为开路微带线、短路槽线从终端至耦合处形成的输入电抗，将等效电路（b）中槽线段阻抗经耦合比例等效至微带线部分得到电路（c），可得到公式（1）~（6），式中w为中心频点的弧度角。

式中：G为微带线-槽线耦合部分反射系数；R与jX分别为槽线段阻抗耦合至微带线部分后的电阻值与电抗值；Zesm为耦合处的等效输入阻抗。

由式（3）~（5）可知，根据图2所示，当微带线和槽线延伸部分长度都为其各自传导波长的四分
之一时，终端开路微带线在耦合处相当于短路，而终端短路槽线相当于开路，那么式（3）反射系数就可简化为
使n2Zos=Zom可得最小反射系数。

可微带线到槽线转换结构的频带有限，主要
是延伸部分长度为导波波长的四分之一，多频点实现困难。

根据式（3），可得出要令Г减小，可使X与Xm相抵消或使X与Xm值都趋于0，所以为了拓展阻抗
带宽，如图1所示，开路微带线延伸部分设为扇形，短路槽线延伸部分设为圆形，显然延伸部分需占用大量面积。

根据以上结论，本文设计的天线馈电方式如图4所示，针对多频点在耦合处减小
反射系数问题，直接在接近耦合点附近使微带线短路，Xm值趋于很小；槽线段在耦合处直接呈开路状态，Xs趋于很大，那么式（5）中X值趋于很小，这样，可
在宽频带上尽量满足式（7）反射系数，此方法减少了延伸部分，使得耦合处反射系数减小，阻抗带宽增宽，有效地减小了馈电面积。

其次是输入阻抗匹配问题，馈电端输入电阻为50 Ω，而式（6）中耦合处的等效
输入阻抗Zesm中存在电抗分量，馈电微带线通过弯折产生的电抗性可在馈电端
口与耦合处之间进行更有效、更容易的阻抗匹配，并且微带线弯折结构缩小了馈电占用面积，减少了对上层辐射区域的影响。

根据天线馈电结构分析，基板材料选为FR4，相对介电常数为4.4，厚度h为1.6 mm，首先确定天线中心频率为7 GHz，选取槽线宽度w2为0.5 mm，计算槽线此时特征阻抗Zos=103 W，根据文献[6-8]中得到微带线到槽线耦合比例n=0.84，由n2Zos=Zom，近似求得Zom≈74 W。

使用电磁仿真软件HFSS15.0对该模型进行仿真优化，天线具体参数为l1=50 mm，l2=3.1 mm，l3=2.7 mm，w=60
mm，w1=40 mm，w2=0.5 mm，w3=1.5 mm，d=1.5 mm，天线尺寸为60 mm×53.1 mm。

由于槽线在耦合处为开路段，缺少槽的限制，会产生边沿电流，包括在天线两侧也会存在表面电流和边沿电流，影响天线增益及方向性。

为了解决此问题，利用四分之一波长槽线开路原理，在天线两侧的开槽结构对于表面波来说阻抗无穷大，能够有效抑制表面波在边缘处产生辐射，使电流沿渐变槽线流动辐射。

本文在天线两侧设计的是随频率变化的线性渐变开槽线，天线的结构如图5所示，槽线长度范围
起始为5.5 mm（lh/4），终止为18 mm（ll/4），大致对应高频点11 GHz与低频点3 GHz时的槽线导波波长的四分之一，槽线宽度为1 mm，槽间距设为1 mm，以0.5 mm深度渐变。

在此基础上在天线顶部槽间设置两侧呈指数规律变化的导体贴片，在该位置与两侧的槽线电流形成耦合，加强电流沿槽流动性，从而提高并稳定天线增益与方向性，经仿真优化后贴片参数为w4=10 mm，w5=2 mm，l4=15 mm。

通过电磁仿真软件HFSS15.0对该天线进行建模仿真，原型为图4所示天线，改
进型为图5所示开槽与寄生贴片加载天线。

图6为原型与改进型天线S11对比，改进后对天线工作带宽无影响，在3~11 GHz频带范围内S11<–10 dB。

图7为天线增益对比，可看出改进后的天线增益明显提高，尤其天线低频段增益
增长明显，在3~9 GHz范围内天线增益稳定在7~9 dBi内。

图8为频率在4，6，8 GHz时改进型与原型天线的E面、H面方向图，可看出改进后的天线旁瓣明显减少，说明渐变开槽与导体加载有效地抑制了边沿电流与表面波电流，并且波束稳定性得到改善。

改进后天线的辐射效率如图9所示，可见，天线辐射效率在3~11 GHz频带内都
超过80%，且稳定性较高。

设计了一款小面积馈电及性能稳定的共面Vivaldi天线，通过在馈电耦合处设计了弯折型馈电微带线槽边短路与槽线开路的结构，有效地减小了馈电面积，实现了天线小型化；再通过运用渐变开槽与寄生贴片加载技术提高并稳定了天线增益。

该天线工作带宽为3~11 GHz，尺寸仅为60 mm×53.1 mm，天线体积小，增益稳定且适中，辐射效率高，波束稳定，能够很好满足室内通信测量及探测成像等特定领域FCC超宽带应用需求。

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