一种新型超宽带高增益维瓦尔第天线的设计与性能研究_陈军.pdf

392023.02无线通信0 引言目前，随着国内外无线通信的传输速度不断地提升，微波天线的带宽和辐射特性都面临较高的需求。在众多天线中，维瓦尔第天线备受国内外专家的青睐，它最早是由 Gibson 等人提出，实际为一种指数渐变槽线的平面印刷天线。本研究设计了一种新型超宽带高增益维瓦尔第天线，在传统对踵维瓦尔第天线的两端均增加弧形辐射结构，从而提高天线的低频辐射带宽；在天线辐射方向添加一块渐变型介质板，将天线正反两面的表面电流限制在天线辐射方向，既可以矫正E面方向图的增益峰值偏移角度，也可以提升天线辐射强度。实测结果显示：1.6-20GHz 频段内的天线 VSWR 均比小于 2，倍频带宽高达 12.5，增益为 1.5-11.1dB。并且该天线的 E 面方向图对称性好、交叉极化比小，易于设计、成本低廉，在超带宽、高增益的定向辐射天线方向拥有较高的研究意义和应用价值。1 理论分析维瓦尔第天线最早由 Ehud Gazit 于 1988 年提出，它的结构如图 1 所示，由两块金属导体层组成，分别印刷在介质板的正反两面，介质板的正面由一个微带线和两条指数型槽线组成，背面由一个巴伦结构和两条指数型槽线组成，采用 50 欧姆同轴接头馈电。本研究设计的天线采用了对踵型维瓦尔第结构，如图 2 所示，介质板为常用 的 FR4 板，其 厚 度 为1mm，易于设计、成本低廉。在传统对踵维瓦尔第天线的天线两端增加弧形辐射结构，如图 2（a）所示；接着在天线辐射方向上增加了一块渐变型介质板，如图 2（b）所示。如图 2 所示，新型对踵维瓦尔第天线的外指数渐变槽线起点坐标为 P0o（0，-W/2），终点坐标为 P1o（H，-T1/2）；内指数渐变槽线起点坐标为 P0i（0，W/2），终点坐标为 P1i（H3，T1/2），内外指数渐变槽线的表达式如下：（1）（2）其中，xi和 yi分别对应于内指数渐变槽线的 x 坐标和 y坐标，xo和yo分别对应于外指数渐变槽线的x坐标和y坐标，（2021年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集评优三等奖）一种新型超宽带高增益维瓦尔第天线的设计与性能研究陈 军1 许译心2 万发雨3 赵 丹31.中国移动通信集团江苏有限公司泰州分公司；2.江苏农牧科技职业学院；3.南京信息工程大学摘要：设计了一种新型超宽带高增益维瓦尔第天线，在传统对踵维瓦尔第天线的两端均增加弧形辐射结构，从而提高天线的低频辐射带宽；在天线辐射方向添加一块渐变型介质板，将天线正反两面的表面电流限制在天线辐射方向，既可以矫正 E 面方向图的增益峰值偏移角度，也可以提升天线辐射强度。实测结果显示：1.6-20GHz 频段内的天线 VSWR 均比小于 2，倍频带宽高达 12.5，增益为 1.5-11.1dB，并且该天线的 E 面方向图对称性好、交叉极化比小，易于设计、成本低廉，在超带宽、高增益的定向辐射天线方向拥有较高的研究意义和应用价值。关键词：超宽带；高增益；维瓦尔第天线图 1 传统对踵维瓦尔第天线无线通信402023.02长度单位均是毫米。2 新型对踵维瓦尔第天线的设计本研究采用 HFSS 软件对新型对踵维瓦尔第天线的弧形辐射结构、渐变型介质板和微带馈线的尺寸进行优化，确定了各参数的大小尺寸，如表 1 所示。表 1 天线结构尺寸/mm参数TT1T2HH2H3H4H5W值10.023.220.041.029.411.68.030.01.4采用 HFSS 软件分别对图 2 所示两种天线的表面电流进行仿真研究，得到如图 3 所示的天线表面电流分布图。由图 3 可知：增加渐变型介质板后，天线在渐变型介质板上（区域O处）的电流强度较大，并且表面电流主要集中在天线辐射方向上，特别是 14GHz 天线辐射方向上的电流非常集中；而未增加渐变型介质板时，区域 O 处的表面电流大致是向两边扩散的。基于图 3 所示的天线表面电流分布情况，可以得出：增加渐变型介质板可以将表面电流限制在天线的辐射方向，既可以矫正天线E面方向图的峰值偏移角度，也可以提高天线的增益特性。分别对图 2 所示两个天线仿真研究，得到的 VSWR 仿真结果如图 4 所示。由图 4 可以发现，两个天线的驻波比仿真值基本吻合，并且该天线带宽可以扩展到 20GHz 以上的频段。图 5 为这两个天线的 Gain 仿真结果，由图 5 可以发现，增加渐变型介质板后，该天线在 10-20GHz 频段内的辐射增益有所提升，大概上升了 3dB，这是增加了一个渐变型介质板，将天线表面电流限制在辐射方向所致。3 对踵维瓦尔第天线的实验研究对踵维瓦尔第天线的实物如图 6 所示，在厚度为 1mm 的FR4 介质板上印制，通过 50 欧姆的 SMA 同轴接头馈电。采用网络分析仪完成该对踵维瓦尔第天线的VSWR测量，得到该天线在 1.5-20GHz 频率范围内的 VSWR 实测值和仿真值对比图，如图 7 所示。可以发现，天线在 1.6-20GHz 频段内的 VSWR 小于 2，在 2-10GHz 低频段的 VSWR 实测值和仿真值大致相符，但是 10GHz 以上的 VSWR 实测值高于仿真值，这是因为高频段对天线加工偏差比较敏感导致的。同时基于（a）未增加渐变型介质板（b）增加渐变型介质板图 2 新型对踵维瓦尔第天线（a）14GHz（b）20GHz 图 3 天线表面的电流分布图412023.02无线通信图 7 可以发现，该天线带宽可以扩展到 20GHz 以上的频段。在微波暗室中完成天线增益和方向图的测试，天线增益的实测值和仿真值如图 8 所示，可以发现，2-20GHz 频率范围内的增益实测值为 1.5-11.1dB，在频点 14GHz 处的增益达到最大，为 11.1dB。由于 FR4 介质板以及 SMA 同轴接头在高频段的损耗较大，因此高频段增益的实测值略逊于仿真值，但是整体的变化趋势是大致相似的。该 天 线 在 2GHz、14GHz 和20GHz 三个频点的 E 面方向图如图 9 所示，从实测值可以看出，天线的 E 面方向图比较对称，而且辐射特性较好，三个频点的交叉极化比均小于-10dB。并且天线E 面方向图的峰值偏移角度较小，尤其是高频段的偏移角度得到较好的矫正，几乎是零度。由图 9 可以看出，方向图仿真结果和实测结果存在差异，主要是加工误差、FR4 介质板的高频插损所致。图 4 驻波比仿真结果对比图 5 Gain 仿真结果对比图 6 天线实物图 7 VSWR 仿真与实测对比图 8 增益仿真与实测对比（a）2GHz（b）14GHz（c）20GHz图 9 2GHz、14GHz 和 20GHz 三个频点的 E 面方向图4 结束语本研究在传统对踵维瓦尔第天线的两端均增加弧形辐射结构，从而提高天线的低频辐射带宽；在天线辐射方向添加一块渐变型介质板，既可以矫正E面方向图的增益峰值偏移角度，也可以提升天线增益。实测结果显示：1.6-20GHz 频段内的天线 VSWR 均比小于 2，倍频带宽高达 12.5，增益为 1.5-11.1dB。并且该天线的E面方向图对称性好、交叉极化比小，易于设计、成本低廉，在超带宽、高增益的定向辐射天线方向拥有较高的研究意义和应用价值。作者简介：陈军（1992），男，江苏泰州人，助理工程师，硕士；研究方向：微波天线设计。（收稿日期：2021-08-10；责任编辑：赵明亮）