基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计

基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计
张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平
【摘要】随着无线通信技术对人类生活影响力的提高,无线通信在通信领域的地位越来越重要.无线通信系统依靠无线电波传递信号,而无线电波的接收和发射则离不开天线.Vivaldi天线是一种超宽带天线,是渐变缝隙天线的一种特殊情况,也是一类经典的行波天线.但是,Vivaldi天线一般存在后向辐射大、主辐射方向增益低的缺点.可以通过对Vivaldi天线加载零折射率超材料的方式,在保证阻抗带宽不变的情况下,显著提高天线在整个频带内的增益.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2018(051)012
【总页数】5页(P2861-2865)
【关键词】Vivaldi天线;零折射率;超材料;天线增益
【作者】张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平
【作者单位】曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
0 引言
在过去的几十年里，无线通信成为发展最迅猛的领域之一。

天线是无线通信系统中极其重要的部分，通信系统中的信号的接收和发送都离不开天线[1]。

随着无线通
信的不断发展，不但要求通信速率要高，而且通信质量的要求也较高。

但是，由于用户数量的增加，加上频谱资源比较匮乏，实现天线的宽带化和小型化的必要性日趋明显[2]。

Vivaldi天线是一种超宽带、小型化的天线，是渐变缝隙天线的一种特殊情况[3]。

Vivaldi天线呈指数状槽线，结构较为简单，可直接印刷在介质基板上。

Vivaldi天线的带宽很宽，但现实中会有很多因素限制其带宽，所以对拓Vivaldi
天线应运而生。

比起普通的Vivaldi天线，它的结构更紧凑，带宽更宽，容易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优[3]。

为了提高天线的增益，可以靠加载零折射率超
材料来实现。

1 对拓Vivaldi天线
对拓Vivaldi天线虽然与普通Vivaldi天线一样可以直接印刷在介质基板上，但是
两者结构并不完全一样。

对拓Vivaldi天线的金属贴片印刷在介质基板的两侧，可以更容易实现阻抗匹配[4]。

图1是对拓Vivaldi天线的正视图，在介质板上下两
侧各有一个金属贴片。

图1 Vivaldi天线正视图
一般情况下，指数渐变槽线的开口宽度是低频对应介质波长的一半。

渐变槽线的长度是一个介质波长，这种情况下能获得良好的天线辐射特性[5]。

分别计算确定槽
线的长度和开口宽度初始值后，建立合适的坐标系，得出指数函数起止点P1(x1,
y1)、P2(x2, y2)的坐标值。

指数函数的表达式为：
系数c1、c2的表达式为：
天线设计采用相对介电常数为6.15的Arlon介质基板，厚度为0.787 mm，天线
的最终尺寸为30 mm×40 mm，两指数线之间的开口宽度为15 mm，馈电口宽
度为1.9 mm。

对拓Vivaldi天线由馈电区、传输区和辐射区三部分组成。

当天线处于低频时，相当于谐振天线；而天线处于高频时，可看作是一个行波天线，且处于非谐振状态[6]。

电磁波在辐射贴片上是沿着指数渐变线内边缘进行传播的，然后两片金属上的能量又相互耦合产生辐射，开口方向上的辐射最大。

如图2所示，可以清楚看到电场
的分布。

图2 对拓Vivaldi天线电场分布
对拓Vivaldi天线能够实现超宽带，主要是因为两臂上的行波电流的相位差为180°。

但是，随着频率的升高，底层金属贴片的电磁波在传播过程中会出现相位
反转现象，在辐射区终端的电流产生一些绕射波，导致出现部分增益被抵消、有副瓣产生。

也就是说，高频时，辐射特性会变差。

尽量使指数渐变槽线边缘过渡平滑，也就是增大指数渐变线曲率，可以改善这种情况[7]。

图3 对拓Vivaldi天线仿真结果
图3 是天线的仿真结果。

可以看到，天线的工作频带很宽，实现了超宽带要求。

但是，由于两个金属贴片在介质板两侧，金属贴片的异面会使天线有交叉极化的特性，容易在天线表面产生柱面波，辐射特性变差。

为了改善这种情况，增加天线增益，可以加载零折射率的超材料。

各向异性的超材料可以使天线近场的柱面波转换为平面波。

2 零折射率超材料
超材料是由在尺寸上远小于波长的结构单元构成的，可以近似当做均匀材料，由等效的介电常数和磁导率来完成[8]。

折射率等于零的超材料可以汇聚波束，实现高
增益的定向辐射。

理论上，电磁波穿过超材料时相位是不变的[9]。

图4是复合方
形环超材料[10]的正视图，超材料由四个方形环和四个金属条组成，金属条宽度为
0.6 mm，长度为3 mm，方形环环状部分宽度与金属条宽度一致，外环尺寸为3 mm×3 mm。

图4 方形环超材料结构
图5 是超材料的一个建模仿真图。

将空气盒子的上下面设置为理想磁场边界条件，左右面设置成理想电场边界条件，前后端口为波端口。

图5 超材料的仿真模型
图6 是超材料的S参数结果。

可以看出，超材料在25.3 GHz处谐振。

利用NRW 反演算法[11]，通过超材料的S11、S21可以反演出超材料的等效介电常数ε和等效磁导率μ，又有折射率与电磁参数的关系为，从而可以得到超材料的折射率。

如图7所示，可以看出超材料的折射率可以达到零。

图6 超材料S参数结果
图7 超材料折射率
3 加载超材料的对拓Vivaldi天线
对拓Vivaldi天线虽然可以解决普通Vivaldi天线的带宽受诸多因素限制的问题，
但是由于对拓天线的两个金属贴片异面，容易形成柱面波。

在天线上加载超材料可以很好地解决这种问题，因为超材料可以把柱面波转变为平面波，增加电磁波辐射的方向性，提高天线的增益。

图8是加载复合方形环超材料的对拓Vivaldi天线正视图。

将复合方形环超材料加载在两指数线的开口方向，可以引导开口方向的电磁波的辐射方向，从而增加天线的增益。

图8 加载超材料的对拓Vivaldi天线
图9 是加载超材料前与加载超材料后的天线的S11对比图。

可以观察到，虽然在
部分频点处略高于-10 dB，但由于天线工作频带非常宽，所以并不会造成太大影响。

图9 加载前与加载后天线S11结果比较
图10 是加载超材料前与加载之后的天线的增益对比图。

可以看出，天线的增益一定频段内有明显提高。

图10 加载前与加载后天线增益比较
4 结语
本文提出了一种对拓Vivaldi天线，通过加载折射率为零的复合方形环超材料，实现了天线增益的提高，改善了传统的Vivaldi天线在某些方面的缺陷。

通过对对拓Vivaldi天线加载超材料，又可以改善由于贴片异面容易形成柱面波的缺陷，提高天线的增益。

【相关文献】
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