1、2009年12月第36卷第6期西安电子科技大学学报(自然科学版) JOURNAL 0F XIDIAN UNIVERSITYDec2009V0136 No6一种新型超宽带渐变槽线天线设计宋 跃，焦永昌，张福顺，王乃彪(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室，陕西西安 710071)摘要：设计并制作了一种新型微带馈电的渐变槽线天线采用改进的微带一槽线过渡，更好地解头了超宽带天线的阻抗匹配问题提出一种新型渐变辐射曲线，有效地改善了低频段的匹配特性实物样机的测试结果表明，在0921425 GHz频带内该天线的电压驻波比小于20 t 1，带宽比达到154：1，而且其带内辐射方向图的前后比大于15dB，
2、交叉极化低于一18dB关键词：超宽带；渐变槽线天线；微带一槽线过渡中国分类号：TN82324 文献标识码：A 文章编号：10012400(2009)06103405Design of a novel ultra。wideband tapered slot antennaSONG Yue，J IAO Yongchang，ZHANG Fushun，WANG Naibiao(Key Labof Antennas and Microwave Technology，Xidian Univ，Xian 710071，China)Abstract： A microstrip fed ultra-wideban
3、d tapered slot antenna is designed and fabricatedThewideband impedance matching is obtained by the use of a modified microstripslotline transitionTheimprovement of impedance characteristics at the lower band is achieved by introducing a novel flare curveas a radiation partThe measured results of the
4、 proposed antenna demonstrate that this directionalantenna achieves a ratio bandwidth of 154 l 1 for VSWR2 from 092 to 1425 GHzThe front-to-hackratio and cross polarization ratio of its radiation patterns over the operating band are greater then 18 dBand less than18 dBrespectivelyKey Words： ultrawid
5、eband，tapered slot antenna；microstrip-slot transition近年来，随着通讯技术的迅猛发展，天线广泛应用于电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信等领域，在高速无线LAN、家庭网络及无线电话等方面也有广泛的需求n，因此设计一种结构简单、性能良好的超宽带天线具有重大的现实意义超宽带天线按最大辐射方向可分为全向超宽带天线和定向超宽带天线对于全向超宽带天线，平面单极天线具有结构简单，易于集成等特点，因而被广泛应用传统的定向超宽带天线形式有螺旋天线、对数周期天线、加脊喇叭天线和渐变槽线天线等31，其中渐变槽线天线具有易加工、成本低、高增益和良好的定向辐射特性，已
6、经成为定向超宽带天线研究的热点Gazit设计的微带馈电对踵Vivaldi天线具有很宽的阻抗带宽之后改进的带状线馈电对踵Vivaldi天线解决了微带不平衡馈电引起的交叉极化高的问题，但是这种天线在高频段辐射效率较低，远场辐射方向图会出现裂瓣微带线和带状线馈电的Vivaldi天线解决了上述Vivaldi天线的缺点，但是该类Vivaldi天线的微带一槽线过渡设计难度较大，文献中给出的天线带宽比小于10：l L7J笔者在传统的Viva|di天线的基础上，设计了一种新型超宽带渐变槽线天线，使用改进的微带一槽线过渡结构，解决了超宽带阻抗匹配问题；采用新型渐变曲线，有效地改善了低频段阻抗匹配特性在09214
7、25GHz频带内该天线的电压驻波比小于20：l，带宽比达到154：1，同时该天线保持了良好的定向辐射、较低的交叉极化和较高的增益收稿日期：200810-06作者简介：宋跃(1982一)，男，西安电子科技大学博士研究生，E。mail：ysongmailxidianeduca万方数据第6期 宋跃等：一种新型超宽带渐变槽线天线设计 10351天线设计与仿真结果图1给出新型渐变槽线天线的结构图天线的尺寸为290mm170mmx 06mm，辐射曲线长度L，为265 mm所选介质板的介电常数为265，损耗角正切值为0003该渐变槽线天线结构与传统微带馈电的宽带Vivaldi天线相似，由8节切比雪夫阶梯阻抗
8、变换器、改进的微带一槽线过渡和新型渐变槽线组成卜一一1Z图1 新型渐变槽线天线结构示意图 图2 阶梯阻抗变换器示恙ltt图2给出N节14阶梯阻抗变换器示意图，其中阻抗比为r，每节的长度L为A和4，电长度0为(7c2)(A柙A。)设计中，由于采用切比雪夫阻抗变换器，因此要求其驻波比具有切比雪夫响应，即Po=(Bo+(Bj一4)“2)z ， (1)其中 Bo=2+半鬻，posin(丌yq4) ， W。一2(A。lA92)(Agl+A92) w。为变换器工作频带的分数带宽，A，。，A。z分别为最低频率和最高频率的工作波长当给定r，。和lD。时，所需阶梯阻抗变换器的最少节数N可以由如下条件确定：TN(
9、1z。)(R一1)(。)(。R)“2 (2)在设计微带一槽线过渡时，槽线短路部分的形状可以采用圆形或扇形，该部分总体长度决定微带一槽线过渡的最低工作频率微带开路部分的形状需要慎重选择，该部分会影响整个带内的匹配特性图3给出改进的微带一槽线过渡结构示意图及其等效电路该等效电路的阻抗匹配为8Z。=咒2Z， ， (3)其中 竹一COS(27c(h,10)“)一cot(gqo)sin(27c(h；to)“) ，qo=27c(h10)“+arctan(uv)， “=(，一(AoA，)2)12 ，口=(AoA，)21)12 (a)结构示意图 (b)原理图图3微带一槽线过渡设计微带开路部分时发现，如图3(a
10、)所示，A部分会影响高频段的阻抗匹配性能，改变这部分的形状和圆形槽线的尺寸，可以有效地改善高频段的反射系数同时B部分的形状对低频段的反射系数也有一定影萃荤以_。一二一一鸟。o-上，一J寺万方数据1036 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第36卷响利用基于有限元方法(FEM)的仿真计算软件HFSSvll进行优化得到：A部分的结构为14椭圆，长轴为R。，短轴为R。；B部分为14圆，半径为R。；这两部分通过多边形C与微带线相连图4给出该微带一槽线过渡的S参数仿真结果，从图中可以看出，在频带090-一13 GHz内，反射系数小于一12 dB，虽然在较高频段传输性能葛有所下降，但传输系数的带内变化范
11、围仍小于3 dB新型渐变辐射曲线可表示为Y=一Cl exp(R(x+X2)一C2+y2 ， (4)其中 C。= y2一y1exp(RX2)-exp(RX1)fGHz图4微带一槽线过渡s参数仿真结果，1 y1 exp(RX 2)一Y2 exp(RXl)乜5石瓦西万=i承面矿(X。，Y。)，(X：，Y。)分别为渐变曲线的起始点和终止点的坐标，R为曲线的渐变因子通常，在Vivaldi天线的设计过程中，可以通过调节曲线的渐变因子R来增加口区域辐射曲线的曲率，如图1所示，从而改善低频段的驻波比图5给出新型渐变曲线和传统Vivaldi天线辐射曲线的对比，可以看出，在保证高频段能量可以在p区域内充分辐射的前
12、提下聃，在a区域内新型渐变曲线具有更大的曲率这也说明，该新型渐变曲线具有改善低频带驻波比的潜力图5 新型渐变曲线与指数曲线的对比 图6渐变槽线天线驻波比仿真结果在不改变天线尺寸和馈电结构的前提下，利用HFSS分别对新型渐变槽线天线和Vivaldi天线进行仿真，最优驻波比仿真曲线如图6所示对比两条曲线可以看出，通过采用新型渐变曲线，笔者箍出的新型渐变槽线天线有效地改善了低频段驻波比fGHz图7 新型渐变槽线天线实物照片 图8新型渐变槽线天线VSWR测试结果万方数据第6期 宋跃等：一种新型超宽带渐变槽线天线设计 10370102030号40_302010O0-lO-2030兽-4030-20-10
13、O0-102030号40-30-201002实验结果O舔 蕊甥慰V“-装夕1221x：一交 义遂业。180(a)2GHzO180(b)5Gllz0惩 、_、io粉婚轧一圭曼嫠八V交 ，彳n21i。：0-10203040兽3020100q口惩 N H面踢耀 剿O3327 弋、翌磁菱-f：J3“义运60涝X7 j夕“-4：；、洙：一x 叉刚村一瓣 歹撼铱40、红主 叉极化、少交一一；气o180 (c)11GHz 180图9 新型渐变槽线天线辐射方向图实测结果图7给出了新型超宽带渐变槽线天线的实物照片其最优参数为：D=141 mm，叫=045 mm，Rl一45 mm，R2=35mm，R一008使用矢
14、量网络分析仪(WILTRON37269A)对该天线的驻波比进行测试，结果如图8所示，实测阻抗带宽(VSWR小于等于2)为0921425GHz，带宽比达到154：1与图6中的仿真结果进行对比，高频段的驻波比存在一些差异，这可能是由于加工误差和计算过程中未记入SMA同轴接头引起的图1l1_鲁1妇鲁fGHz图10新型渐变槽线天线仿真与实洲增益9为E面和H面实测辐射方向图，从图中可以看出，带内辐射方向图前后比大于15 dB，交叉极化低于一18dB，但由于工作频带较宽，不对称的馈电结构影响了高频段E面辐射方向图的对称性图10为在113 GHz内该天线的仿真和实测增益曲线，可以看出，从1 GHz到_Lrr
15、LrrLrIr，Lr。-LrLLom珊枷枷芎：渤郴orLLrPLrP-L。r-。Lr-Lrlo邶珊枷枷号：锄加。万方数据1038 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第36卷12GHz，增益由33dBi单调增加到142 dBi，12GHz后增益有所下降，但变化范围在09 dBil)A内3结束语笔者提出了一种新型的超宽带渐变槽线天线设计方法，通过采用改进的微带一槽线过渡和新型渐变曲线，可以有效地解决渐变槽线天线的阻抗匹配问题测试结果表明，在0921425GHz频带内该天线的电压驻波tgd、7：20：1，带宽比达到154：1，同时保持了良好的定向辐射特性和较低的交叉极化特性参考文献：1-1刘英，龚
16、书喜，傅德民，等一种用于移动终端的新型内置五频芯片天线J西安电子科技大学学报，2008，35(4)：654-657Liu Ying，Gong shu】【i，Fu Demin，et a1Novel Internal Chip Antenna with a Pentaband for the Mobile HandsetJJournal of Xidian University，2008，35(4)：6546572李建峰，孙保华，刘其中，等一种新型复合结构笼型中馈天线J西安电子科技大学学报，2008，35(5)：889893Li Jianfeng。Sun Baohua，Liu Qizhong，et
17、 a1Novel Center-fed Cage Antenna Using the Composite Structre口Journalof Xidian University，2008，35(5)：8898933张厚，尹应增，夏冬玉两种新型球面螺旋天线的特性分析J西安电子科技大学学报，2008，35(1)：144147Zhang HouYin Yingzeng，Xia DongyuAnalysis of Two Novel Spherical Helical AntennasJJournal of XidianUniversity，2008，35(1)：1441474Love A WEle
18、ctromagnetic Horn AntennasMNew Yoyk：IEEE Press，19765Gazit EImprove Design of the Vivaldi AntennaJ1EE Proc H Microw Antennas Propag，1988(135)：89926Langiey J D S，Hall P S，Newham PBalanced Antipodal Vivaldi Antenna for Wide Bandwidth Phased ArraysJ1EEProc Microw Antennas Propag，1996，143(2)：971027Schaub
19、ert D H，Boryssenko A O，Chio T HAnalysis of Finite Arrays of Wideband Tapered Slot AntennasEB0L20080910wwwursiorgProceedingsProcGA02papersp0935pdf8Prasad S N，Mahapatra SA Novel MIC Slotline AntennaCProceedings of 1979 European Microwave ConferenceBrighton：IEEE，1979：1011059牛军谦，吕善伟，刘涓，等Vivaldi天线及其在宽带测量
20、系统中的应用J宇航计测技术，2004，24(3)：2023Niu Junqian，Ln Shanwei，Liu Juan，et a1Vivaldi Antennas and Its Use in Wideband Measurement SystemsJJournalof Astronautic Metrologh and Measurement，2004，24(3)：2023(编辑：郭 华)一一一一一一一一一一一一一一一一一一一万方数据一种新型超宽带渐变槽线天线设计作者： 宋跃， 焦永昌， 张福顺， 王乃彪， SONG Yue， JIAO Yong-chang， ZHANG Fu-shun，
21、WANG Nai-biao作者单位： 西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西,西安,710071刊名： 西安电子科技大学学报（自然科学版）英文刊名： JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)： 2009,36(6)参考文献(9条)1.Prasad S N;Mahapatra S A Novel MIC Slot-line Antenna 19792.Schaubert D H;Boryssenko A O;Chio T H Analysis of Finite Arrays of Wideband Tapered Slot
22、 Antennas20083.Langiey J D S;Hall P S;Newham P Balanced Antipodal Vivaldi Antenna for Wide Bandwidth PhasedArrays 1996(02)4.牛军谦;吕善伟;刘涓 Vivaldi天线及其在宽带测量系统中的应用期刊论文-宇航计测技术 2004(03)5.Gazit E Improve Design of the Vivaldi Antenna 1988(135)6.Love A W Electromagnetic Horn Antennas 19767.张厚;尹应增;夏冬玉 两种新型球面螺旋天线的特性分析期刊论文-西安电子科技大学学报(自然科学版)2008(01)8.李建峰;孙保华;刘其中 一种新型复合结构笼型中馈天线期刊论文-西安电子科技大学学报(自然科学版)2008(05)9.刘英;龚书喜;傅德民 一种用于移动终端的新型内置五频芯片天线期刊论文-西安电子科技大学学报(自然科学版) 2008(04)本文链接：http:/
