Vivaldi天线及其改进方法的仿真研究
摘 要： 选择强方向性Vivaldi天线作为研究对象,基于等效电路等理论分析确定了天线的结构参数，采用高频仿真软件Ansoft HFSS 11对天线的电性能进行定量分析。提出在天线两侧开栅栏和尾部加抗流栅栏的优化方法，将天线金属贴片上的表面电流汇聚于槽线部分,明显改善了天线的辐射特性，在350 MHz和830 MHz的增益分别达到5.7 dBi和8.7 dBi。
关键词： 临近空间; Vivaldi天线; 通信
作为渐变槽线天线中的代表性类型，1979年由GIBSON P J提出的指数渐变槽线天线(Vivaldi)具有宽频带、高增益、波束对称和容易集成等特点[1]。但是目前国内、外对这种天线的研究大多集中在UWB规定的频段，对UHF波段的应用还没有深入研究[2-4]。本文设计一种UHF频段的轻型化、高增益、宽频带的Vi贴片电感valdi天线，能有效覆盖多个频段。
本文对传统设计进行了改进，通过仿真实验，槽线的宽端开口H约为六分之一介质波长68.5 mm时，天线在350 MHz时的特性没有受到明显影响，而且也能有效地减少介质基板的尺寸。而槽线窄端开口WSL考虑加工精确度取1.4 mm。微带馈线宽度与扇形短截线、圆形谐振腔各参数利用仿真软件优化，最后确定整个天线的结构参数如表1所示。
通过Ansoft HFSS 11软件建立UHF波段Vivaldi天线模型，介质基板正面为带指数渐变槽线、等宽度槽线和圆形谐振腔的金属层，背侧为微带馈线和扇形微带短截线组成的馈电结构。根据该模型计算得到的驻波比如图1所示。
由于有限元算法只有在相邻未知量之间才发生直接相互作用，仿真时设置的频率范围越大，离中心频率越远，误差越大。因此，Ansoft HFSS11宽带仿真时，需将扫频范围划分为若干段分别进行仿真，确保数值色散误差值降到最小。天线的仿真频率范围设置为200 MHz～400 MHz、 400 MHz～700 MHz、700 MHz～900 MHz和900 MHz～1.3 GHz。从驻波曲线合成图(图1)中可以看出，在频率范围的结合部驻波曲线一般是不连续的，进一步说明了前面关于有限元算法的误差问题。天线在200 MHz～1.3 GHz频段上VSWR均在2.5以下，可基本满足工程需要。特别地，在655 MHz和960 MHz附近,驻波分别达到1.035和1.061 1。
2 加载栅栏Vivaldi天线的仿真分析
通过对前面仿真数据的分析，发现天线的理想谐振频率发生频率偏移往高频端走，需要通过改变结构来拉低谐振频段。本文根据参考文献[5]中的方法，在不改变原设计尺寸的前提下，在天线金属贴片两侧开上多条几何对称栅栏，以改善天线在低频端的VSWR特性，提高天线增益。
栅栏的深浅会影响金属表面电流的分布，栅栏太深会使电流从中间的渐变段直接流向栅栏，向侧翼辐射，从而影响主方向上的辐射效果。但深度不够对改善天线辐射、提高增益效果不明显，所以栅栏深度的选择很重要。从天线渐变槽线的结构分析可知，离谐振腔位置较近的中间槽线部分附近的电流分布较多，而槽线宽端离馈电结构稍远，电流分布相对较少些，应尽量不破坏。为改善低频端性能，在天线金属贴片两侧开不同深度的栅栏，中间段的栅栏深度较深是为了把电流尽可能地集中在槽线上。靠近最大开口处的栅栏深度较浅是为了不破坏渐变槽线艺电感终端的电流分布。
通过对栅栏的数目、宽度、深度以及位置的不断优化，最后确定天线形式如图2所示。第一个栅栏距渐变槽线终端为30 mm，每个栅栏的宽度均为30 mm，其深度依次为90 mm、115 mm和140 mm。从仿真计算中可以证实栅栏可抑制边缘电流，并减少边缘处的电场强度，可有效改善天线的整体辐射特性。
图3为结构改进前后天线驻波对比图(实线为加栅栏，虚线为未加栅栏)。可以看出，天线的VSWR特性得到显著的改善。从305 MHz到1 GHz的频段内，VSWR值均小于2，而在340 MHz时其驻波值最低为1.08,在350 MHz处为1.1。与结构改进前相比，改进后的结构在中间频段800 MHz附近的驻波值得到了极大改善。此外，在微波通信1.2 GHz时，VSWR值变为1.3，在可接受的范围内。所以，加栅栏后的天线驻波特性得到较好的改善。平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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