高增益印刷指数渐变天线研究与组阵设计

【摘要】文章针对UHF频段设计指数渐变天线,以Vivaldi天线为原型,用加载矩形槽线的方法对Vivaldi天线进行优化设计。仿真和实测结果表明,天线在UHF波段具有驻波比低、频带宽的特性。最后采用线阵和并联馈电方式设计天线组阵,对水平组阵的增益仿真结果进行了分析。

【关键词】渐变槽线天线 Vivaldi天线 UHF 组阵

渐变槽线天线TSA(Taper-Slot Antenna)是一种印制行波天线,沿天线端向辐射。渐变槽线天线是在带电馈线的槽线模型的基础上提出的,Janaswamy和Schaubert对这类天线进行了总体分析[1]。天线的槽线由较窄过渡到较宽,形成类似喇叭口的形状,向外辐射或接收电磁波。根据槽线变化规律的不同,渐变槽线天线通常有三种结构:线性渐变槽线天线LTSA(Linear Taper-Slot Antenna)、固定宽度槽线天线CWSA(Constant Wide Slot Antenna)和指数渐变槽线天线Vivaldi(Exponential Taper-Slot Antenna)。Vivaldi天线具有高增益、超宽带等特性,适用于多种通信方式,而且采用印刷天线技术,体积小、成本低,因而得到了极大的关注。本文采用的Vivaldi天线如图1所示。

1 UHF指数渐变槽线天线的设计

1.1 微带线―槽线转换器

微带线―槽线转换器由矩形槽线和微带馈线构成,两者印制在介质板的不同表面,交错放置,如图1中矩形槽线和微带馈线重合部分。在分析和设计时,采用等效电路法[2,3],并进行简化,如图2所示。其中,ZS为槽线的特性阻抗,Zm为微带线的特性阻抗,ZS=N2Zm。在实际设计中,先确定ZS,再根据上式计算出Zm,然后通过查表可得矩形槽线的宽度和微带线的宽度[4]。本文设计的天线要求工作在300MHz～1GHz的UHF波段,计算得到矩形槽线宽度WSL为1.4mm,微带线的宽度为2.1mm。

1.2 指数渐变槽线

指数渐变槽线是Vivaldi天线最基本的部分。要将天线工作频带范围内的导波辐射出去,在设计时应根据需要确定最大、最小开口长度。理论上最大开口应该为天线所需低频波长的1.3倍,但是在实际制作中,由于需要考虑到介质板、所需天线的尺寸和增益等因素,通常取最低频点介质波长的四分之一为最大开口,本文取111mm。渐变槽线的渐变率R决定槽线的渐变速度,主要对天线的波束宽度产生影响,本文R=0.015mm-1,得到指数函数的表达式:

y=33.3e0.015x(1)

1.3 加载槽线

加载槽线指的是在Vivaldi天线的渐变辐射面有规律地加载不同形状的槽线,通过调整槽线的数量、大小和位置,对天线的增益和驻波系数进行改善。本文采用加载矩形槽线的方法,如图3所示。天线金属导体上的电流主要分布在边缘处,加载槽线可以提高电流在渐变槽线上的分布,从而改善辐射特性。通过实验可知,当槽线数量为3对时,能够最好地满足设计要求。槽线宽度为30mm,长度分别为140mm、115mm和90mm。

2 仿真与分析

本文采用Ansoft HFSS对所设计的天线进行仿真,结果表明:天线在360MHz的驻波比为1.1,除了454MHz～562MHz外,该天线在312MHz～1.048GHz的频段内驻波比均小于2,具有较宽的带宽;其中驻波比小于1.5的频段有332MHz～420MHz和604MHz～1011MHz。同时,该天线在1.15GHz～1.25GHz的频段内也能产生谐振,驻波比在2以下,在1.2GHz处为1.17。这主要是因为设计的Vivaldi天线最小开口处取值很小。

根据理论计算,在1GHz～2GHz以内的频率也会产生辐射,但是由于天线加载矩形槽线,使工作频率向低频偏移,在大大减小天线尺寸的同时,降低了天线在1GHz～2GHz频段的特性。天线在800MHz和900MHz的远场E面方向图如图4所示:

3 天线测试

天线的实物和实测结果如图5所示。天线在360MHz和1.24GHz的驻波比分别为1.09和1.10,在300MHz～1.13GHz大部分频段内的驻波比低于2,有800MHz左右的带宽,在600MHz～1.1GHz频段内低于1.5。实测结果表明,天线在UHF波段具有驻波比低、频带宽的特性。

4 UHF指数渐变槽线天线的组阵设计

结合天线结构和尺寸,本文采用线阵进行设计。馈电使用并联方式,因为与串联方式相比,并联方式更加适合宽带天线使用。线阵分为水平和垂直两种,如图6所示。水平线阵的增益仿真结果见表1。印制天线单元数的加倍在不考虑馈电损耗的情况下可增加约3dB增益,但是由于单元间距为360MHz波长的λ/4,相对于800MHz时就是接近λ/2,而频率越高这个间距与波长的比值就越大,就越有可能出现栅瓣,分散主瓣的辐射;因而在频率较高处增益的提高较少,1.2GHz时6元到12元增益提高为2.38dB。

参考文献

[1]Janaswamy R, Schaubert D H. Analysis of the Tapered Slot Antenna[J]. IEEE Trans Antennas Propag, 1987,AP-35(9): 1058-1065.

[2]边莉,吴群,傅佳辉. 等效电路法在Vivaldi天线设计中的应用[J]. 黑龙江科技学院学报,2008,18(1).

[3]Chao Deng, Yong-jun Xie. Design of Resistive Loading Vivaldi Antenna[J]. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, 2008(8): 240-243.

[4]闫润卿,李英惠. 微波技术基础[M]. 北京: 北京理工大学出版社,1997.

【作者简介】

李萍:博士,教授,技术6级、文职3级,西安武警工程学院通信工程系无线教研室主任,硕士生导师,中国电子学会高级会员,陕西科学技术信息研究所科技查新咨询中心专家。有7项科研成果获部级一、二和三等奖,其中3项为第一完成人;有两项研究取得国家专利,均为第一专利人。发表和在国内外交流论文40余篇,其中第一作者20余篇,有20余篇发表在核心和(ISTP和EI)检索源期刊上。编著教材7本。