超宽带vivaldi天线单元设计(二)

三、 对踵Vivaldi天线

(一)天线设计及仿真

对踵Vivaldi天线模型图对踵Vivaldi天线模型图

  Vivaldi天线在低频端作为谐振天线工作,在高频端作为非谐振的行波辐射器。工作频率的下限由天线的宽度(两个辐射壁之间的最大间隔)决定,一般这个宽度需要达到最低工作频率对应波长的二分之一;而工作频率的上限受槽线最小宽度的限制,对于传统 Vivaldi 天线,高频段槽线宽度受加工精度限制,在30GHz处的阻抗匹配较差,且对馈电结构要求较高,不易实现,因此我们采用对踵型Vivaldi天线。

  针对传统 Vivaldi 天线馈电结构限制天线带宽的缺陷,对踵Vivaldi 天线的槽线宽度是由零逐渐增大的,其高频端截止频率理论上为无穷大,不再受槽线最小宽度的限制,且馈电结构是由微带线到平行双线的渐变过渡线,超宽带阻抗匹配较易满足。

1.全频段仿真结果

S11S11

VSWRVSWR

  在全频段处S11低于-14.5dB,VSWR在1.6以下,达到指标要求。

2.中心频率处仿真结果

表面电场及电流表面电场及电流

  在中心频率处天线表面场近似行波分布,反射较小。
E面H面方向图E面H面方向图

  在中心频率处增益达到9.8dBi,满足指标要求。
3D方向图3D方向图

3.设计分析

  • 交叉极化对踵Vivaldi 天线交叉极化要高于传统Vivaldi天线。这主要是因为:对于对踵Vivaldi天线,辐射电磁波的电场方向由介质基片一侧的导体指向另一侧的导体,由于介质基片本身具有一定的厚度,所以电场与天线平面之间存在着一个倾斜角。当天线的工作频率很低时,电磁波由天线末端辐射,此时基片厚度相对于天线两侧导体之间的距离来说可以忽略不计,电场倾斜角较小,辐射电磁波的电场近似平行于天线平面,天线的交叉极化性能尚可;而当天线的工作频率升高时,天线辐射区域远离天线末端,随着两侧导体之间的距离减小,介质基片厚度的影响不能忽略,电场发生了较大的倾斜,天线的交叉极化性能就变差,且工作频率越高,交叉极化越差。交叉极化特性较差是对踵Vivaldi天线的主要缺陷。
  • 反射:天线低频端驻波较高频端稍差,这主要是因为:低频端由天线末端的区域进行辐射,电流在天线末端没有得到有效的衰减而被反射回来,而高频时天线上的电流沿天线辐射壁衰减较为迅速。
  • 波束宽度:天线在低频端波束宽度较窄,随着频率升高,波束宽度变宽。随着频率的进一步升高,E面方向图主瓣发生了明显的分裂,出现旁瓣。这主要是因为频率升高时,介质基片相对较厚,介质中出现表面波,损耗变大。
  • 增益:低频时天线的有效辐射区域较小,增益较小;随着频率的升高,天线的有效辐射区域增大以至稳定;高频时,由于介质损耗增大,方向图主瓣出现分裂,增益又迅速下降。

(二)馈电设计及仿真

  为实现对对踵型Vivaldi天线的馈电,我们需重新设计一种超宽带的馈电电路,这里我们采用微带到平行板线的超宽带馈电巴伦:50Ω微带线经由指数渐变到平行板线,如图


  需要注意的是,渐变初始端地板宽度要足够大(5~10倍微带宽度以便同轴到微带建立电场,同时减少安装馈电接头后的影响)。
仿真结果如下:
S11S11

S21S21

VSWRVSWR

  由以上数据可以看到,此种超宽带巴伦能够很好地实现3-30GHz内的微波传输,且能和天线较好地衔接,是一种十分理想的馈电方式。

(三)整体结构及仿真

天线模型图(带通孔)天线模型图(带通孔)

1.S参数

2.驻波系数


  从图中可以看出,在3-30GHz的频率范围内,s11<-10dB,VSWR<2,反射系数、驻波系数在要求的频段全部满足要求。

3.增益方向图

3.1 3GHz


E面方向图E面方向图

  3GHz的E面方向图,主瓣较宽,副瓣电平较低,增益小,前后比10dB左右
H面方向图H面方向图

  3GHz的H面方向图主瓣较宽,增益小,副瓣电平小,前后比10dB左右

3.2 16.5GHz


E面方向图E面方向图

  16.5GHz的E面方向图,主瓣较宽,增益G=10.3dBi达到设计要求,副瓣电平偏高,前后比20dB左右,满足单向辐射的要求
H面方向图H面方向图

  16.5GHz的H面方向图,主瓣较窄,增益G=10.2dBi达到设计要求,副瓣电平偏低,前后比20dB左右,满足单向辐射的要求

3.3 30GHz


E面方向图E面方向图

  30GHz的E面方向图,主瓣宽,增益较低,副瓣电平高,前后比15dB左右
H面方向图H面方向图

  30GHz的H面方向图,主瓣较窄,增益较低,副瓣电平偏高,前后比20dB左右

四、 实测结果

(一)天线实物图

正面及背面正面及背面

(二)天线支架实物图

竖直测量支架竖直测量支架

水平测量支架水平测量支架

(三)测试环境

(四)实测数据对比

1.S参数


  实测天线,在频率高端,与仿真数据对比,天线S11水平恶化;但在全频段(3-30GHz)反射系数<-10dB,仍满足设计要求。

2.驻波系数


  VSWR,仿真与实测数据在低频端比较吻合,在高频端,实测数据的VSWR要高于仿真数据,说明天线高频端反射性能有一定程度的恶化。全频段(3-30GHz)VSWR<2

3.增益方向图

3.1 3GHz




  3GHz的E面方向图,仿真与实测间方向图的主瓣方向出现大约30度的偏差,仿真与实测的方向图形状基本吻合,零值方向,极值方向存在差异



  3GHz的H面方向图,仿真和实测的方向图形状基本吻合,实测在0度附近幅值出现下降

3.2 12GHz




  12GHz的E面方向图,仿真和实测的方向图形状基本吻合,主瓣方向相差不大,由于测试存在误差,实测的零值深度相对于仿真的零值深度更低



  12GHz的H面方向图,仿真与实测的方向图形状基本相同,主瓣方向相差不大,由于存在测试误差,实测的零值深度与仿真的零值深度相比更低

3.3 21GHz




  21GHz的E面方向图,仿真和实测的方向图形状基本吻合,在这种情况下,天线的性能不理想,主瓣方向不明显,副瓣电平大



  21GHz的H面方向图,仿真与实测的方向图形状基本吻合,主瓣方向相差不大,由于存在测量误差,实测方向图的零值深度比仿真方向图的低

3.4 30GHz




  30GHz的E面方向图,仿真与实测的方向图形状基本吻合,主瓣方向不明显,由于存在测量误差,实测方向图的零值深度低于仿真方向图



  30GHz的H面方向图,实测方向图的形状与仿真方向图形状相比存在一定的偏差,由于数据点直上直下地变化,实测方向图的形状不明显;与仿真方向图相比,实测方向图的主瓣不明显

五、总结

指标完成情况备注
带宽 3~30GHz高频部分有一定程度恶化
$S_{11} < -10dB$全频段达到要求
$a*b<100*200mm$92.5*96mm
单向辐射√×实测频点,除3GHz外,其他频点前后比均大18dB
$G_{f0}>8dBi$仿真满足,未实测

  本次课程设计,我们学习到了文献查找的相关知识,对超宽带天线设计中的比例变换原理、Marchand巴伦、Chebyshev阶梯阻抗变换、开槽设计、微带到平行板线超宽带馈电巴伦等有了进一步认识;提升了使用HFSS、CST、AutoCAD建立天线模型、仿真、优化、制作版图及支架的能力;实际参与了天线的参数、方向图测量。通过此次课设我们深入了解了微带天线的设计、仿真、制作、测试流程;将理论和实际相结合,第一次用自己所学的电磁波理论知识设计制造出完整的Vivaldi天线,但我们也深感自己能力的不足,在此由衷地感谢林先其老师及王豹学长的指导,祝愿林老师和王学长身体健康,科研顺利。

已有 4 条评论

  1. scat scat

    30g带宽,牛逼哇

    1. 雨中执笔 雨中执笔

      最近有点忙,没继续更新,后面还有测试部分没写

  2. 白玉玺 白玉玺

    你好,只要S11低于-10db的频率范围就是天线的带宽吗

    1. 雨中执笔 雨中执笔

      一般来讲将S11小于-10dB的带宽称为阻抗带宽,是衡量天线带宽的一个指标,还有轴比带宽等指标,视天线具体情况而定,S11小于-10最常用

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