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渐变槽缝天线的仿真研究

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本科毕业设计论文

题目渐变槽缝天线的仿真研究

学院电子工程学院

专业电子信息工程

学生姓名

导师姓名

摘要

本文以渐变槽缝天线为研究对象，利用控制变量法，用AnsoftHFSS软件进行仿真分析，主要研究天线结构变化对性能指标的影响。

希望能对实际天线系统的设计和研制提供一些帮助。

首先，对天线结构参数进行研究。

保持其他参数不变，分别使微带短截线扇形角、开路腔半径、指数渐变率、指数线开口宽度、天线宽度这五个变量变化，来观察它们对回波损耗、驻波、增益的影响。

研究表明它们对天线性能指标均存在一定程度的影响。

其中天线宽度对带宽和增益影响较为明显，开口宽度对带宽影响较大。

其次，改变了几种微带线的形状，来研究其对驻波的影响。

在研究过程中，保持天线完全对称的情况下，经过多次尝试，均无法满足VSWR＜2。

于是只要求微带线终端的扇形结构关于x轴对称。

仿真结果表明当微带线在x轴方向长度大于4mm的情况下，虽然谐振频率发生较大变化，但是均可以在一定频率范围内满足驻波要求，最小值可以达到1.5以下。

最后，分别对天线进行导体加载、电阻加载和电容加载，发现相比于未加载时天线带宽为0.42GHz有较大提升。

仿真结果表明在天线两侧加载导体片可以增大带宽。

导体片尺寸为0.98λ×0.45λ，带宽能增大到0.69GHz。

在天线开口两侧加载电阻和电容也可以明显增大带宽。

经过分析对比，贴片尺寸取0.16λ×0.24λ，电阻值取100Ω，可以使带宽达到3.02GHz。

贴片尺寸取0.28λ×0.07λ，电容值取0.05pF，可以使带宽达到0.61GHz。

关键词：

渐变槽缝天线结构参数加载VSWR

ABSTRACT

Inthispaper,westudyTSAusingthecontrolvariablemethodandAnsoftHFSSforsimulation.Mainlystudytheimpactthatthechangeinstructuretoantennaperformanceindex.Wearehopingtoprovidesomehelpforthedesignanddevelopmentofpracticalantennasystems.

First,westudytheantennastructureparameters.Keepingtheotherparametersconstant,respectivelychangemicrostripstubfanangle,cavityradius,faderateindex,theindexlineopeningwidthtoobservetheirreturnloss,VSWR,gainaffected.Studieshaveshownthattheyhavesomeinfluenceonantennaperformance.Thewidthoftheantennahavemoreinfluenceonbandwidthandgain,openingwidthhavemoreinfluenceonbandwidth.

Secondly,changetheshapeofseveralmicrostriplinestostudyitseffectonthestandingwave.Duringthestudy,whilekeepingtheantennaisfullysymmetrical,afterseveralattempts,wereunabletomeetVSWR<2.Sotheonlyfan-shapedmicrostriplineterminalrequirementsonthex-axissymmetry.Simulationresultsshowthatinthecasewhenthemicrostriplinelengthgreaterthan4mmx-axisdirection,althoughtheresonancefrequencychangedgreatly,butbothcanmeetthestandingrequirementsinacertainfrequencyrange,theminimumcanreach1.5orless.

Finally,eachoftheantennaconductorload,loadresistorandcapacitorload,foundthatcomparedtowhennotloadedantennabandwidthis0.42GHzmuchimprovement.Simulationresultsshowthatbothsidesofthesheetconductorantennacanincreasethebandwidth.Whentheconductorsizetake0.98λ×0.45λ,thebandwidthcanbeincreasedto0.69GHz.Openingonbothsidesoftheantennaloadresistorsandcapacitorscanincreasebandwidth.Afteranalysisandcomparison,whenthepatchsizetake0.16λ×0.24λ，theresistancevalueis100Ω,canmakethebandwidthof3.02GHz.Whenthepatchsizetake0.28λ×0.07λ，capacitancevaluetakes0.05pF,canmakethebandwidthof0.61GHz.

Keywords：

TSAstructureparametersloadingVSWR

第一章绪论

1.1课题的来源与研究意义

天线是各种无线电设备里不可少的组成部分，它能有效的、定向的辐射或接收无线电波并通过馈线与收发系统联系起来,起着能量转换作用。

随着社会的发展和进步，对信息传输的要求也越来越高，因此对天线的研究就成了我们的一个重要的课题之一。

渐变槽缝天线是一种应用广泛的微带天线，因此了解微带天线的背景和应用非常重要。

微带天线是20世纪70年代出现的一种新型天线形式。

早在1953年美国的Eschamps教授就已提出微带辐射器的设想，但由于当时的集成技术和介质基片材料尚未趋于完美，因此未能取的较大的进步，知道20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型与对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，实际的微带天线才制作出来。

微带天线最初作于火箭和导弹上的共形全向天线，随着材料科学技术的发展，使用的微带天线才得到了长足的发展。

现已大量应用于100MHz~100GHz宽频域的无限电设备中。

微带天线的出现是微波集成电路技术在理论和实践上应用于天线理论的一个重要的成就。

微带天线的特征是比通常的微波天线有更多的物理参数，它们可以有任意的几何形状和尺寸。

从微带天线的概念提出以来，对微带的理论研究一直是人们研究的热点，由于它剖面薄，重量轻，可与载体共形，易与有源器件集成等特点，已经应用于卫星通信、导航等众多领域。

今天，微带天线的形式已多种多样，微带缝隙天线以其独特的性能，如微带缝隙天线具有馈电网络和辐射单元相分离，从而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小等优点，在实际中得到了广泛的应用。

Vivaldi天线是渐变缝隙微带天线的一种形式，被证明非常有用。

因为它具有简单、适合的方向性，在阵列中作为辐射要素具有很大的潜力，可以用于高频的场合等众多优点，而且在天线的输入端缝隙线可以和有源电路进行较好的结合。

和其他集成电路天线相比，渐变形缝隙天线具有较高的增益和较宽的频带。

Vivaldi天线应用前景非常广泛，除了具有高增益和宽频带的优点外，还具有线极化特性，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线，另外，作为阵列单元使用的Vivaldi天线也具有优良的性能，可以有它们组成单极化和双极化的阵列，用于宽带天线阵列或宽频带宽扫描角的相控阵中，同时因为Vivalid天线是一种结构简单的平面天线，可以用印刷技术将它与其他模块集成为一体，它被用于各种测量接收系统中，用来探测频率带宽较宽的电磁波信号。

作为一种高增益的，宽带的，有对称波束和容易集成的平面天线，Vivaldi天线被广泛应用于各种电子测量系统当中，用来发现电磁干扰，监视有用的信号，传输和接收短脉冲。

它可以与其他的电路模块集成在一起作为各种宽带电子测量系统的探测器。

另外，由于Vivaldi天线组成的单极化，双极化阵列与其相控阵也有它的优点，在军事上用Vivaldi天线组成的相控阵可用来接收来自不同方向不同频率的极化方式不一样的各种电磁信号，这种阵列还被用在射电天文，遥测遥感等各种宽带测量系统以与多波束卫星通信系统和空间功率分配技术中。

Vivaldi天线可用于超宽带通信和超宽带阵列，可用作智能天线，还可用于雷达与其数字波束的形成等等。

通过对Vivaldi天线的研究，可以对以上应用提供技术方案和指导。

由于Vivaldi天线具有较多的优点，本论文以一个Vivaldi天线为例，应用控制变量法，通过改变天线结构，来研究天线指标的变化。

用全波电磁仿真软件对微带缝隙天线的性能进行仿真分析，为实际天线的研制提供理论参考。

1.2微带缝隙天线的基本结构和发展状况

Vivaldi天线是一种具有渐变缝隙的天线，并且是用微带来馈电的。

因此有必要先了解微带缝隙天线。

微带缝隙天线是在一个金属薄层上用光刻腐蚀等方法做出一定形状的缝隙，金属层下面附着一层介质基片，并利用微带线对缝隙进行馈电。

微带馈线中的电磁波通过金属层上所开的缝隙向外辐射。

不同形式的缝隙可以开在金属表面，以形成不同结构和性能的微带缝隙天线。

微带缝隙天线的优点是能产生双向或单向方向图；在微带天线设计中，采用贴片和缝隙的组合结构。

沿着微带馈线一边排列的倒带和缝隙的组合可产生圆极化辐射场；微带缝隙天线能产生所希望获得的极化状态，并且对制造公差的灵敏度比微带贴片要低一些；具有低剖面结构，在不影响载体气动学特性的前提下，可以方便的制成与导弹、卫星等载体表面共形的天线结构；馈电网络可与天线结构一起制作，适合于用印刷技术大批量生产；能与有源器件和电路集成为单一的模件。

微带缝隙天线的大致发展过程为：

1972年，Y.Yoshimura明确的提出了微带缝隙天线这一概念，并以10GHz为中心频率进行了微带缝隙天线的深入研究并制作出了实物天线。

此后，开始有较多的研究人员以前人的结果为基础，进行更多的理论和工程方面的研究，1986年D.M.Pozary等人提出了一种以互易理论来分析的印制缝隙与缝隙耦合天线，1994年，WayneA.Schnelder等提出了一种超轻的航天器天线。

微带缝隙天线是利用镂空在接地板上的缝隙产生辐射，介质基片另一侧的微带线或其他馈线（如槽线）作为馈电结构。

缝的形状有很多种如图1.1所示。

一般来说，贴片天线的形状都可以成为缝隙的形状，常用的有矩形缝、圆形缝和矩形环缝等。

矩形缝隙天线又分为窄缝和宽缝两种，当缝宽比缝长小很多时为窄缝天线，当缝宽同缝长可相比拟时为宽缝天线。

宽缝

窄缝

图1.1常见的微带缝隙天线结构图

微带缝隙天线比较突出的特性是交叉量很小，适当的调节馈电结构能够得到较大的带宽特性。

但是，这种天线的背向辐射较大。

通常情况下，可以在距离底面以下的四分之一的波长的距离处加入一块反射板，这样可以使辐射能量集中，减小背向辐射强度。

微带缝隙天线正在越来越获得深入的研究，各种新型和具有特殊性能的微带缝隙天线不断出现，并且在实际应用中发挥越来越重要的作用。

1.3渐变槽缝天线的研究状况

渐变槽缝天线（TaperSlotAntennaTSA）最早出现在二十世纪七十年代，其后发展一直比较缓慢。

进入20世纪90年代后，现代战争对雷达提出了新的要求，雷达需要集雷达、电子战、通信多功能于一身，以提高其对抗与隐身能力。

多功能的需求要求雷达具备超宽带与宽角扫描的特性，指数槽线天线满足这一应用要求，从而得到了迅速的发展。

TSA的重要形式Vivaldi天线是Gibson于1979年提出的一种行波天线，缝隙具有指数渐变结构，这种天线具有宽频带、高增益、波束对称等特点。

此外这种Vivaldi天线发射和接收时域波形时具有非色散特性，波形保真度较高，在通信传输以与探测等领域的应用潜力较大，其宽带特性也为多频接收卫星信号等功能提供了可能性。

近年来国内外学者在Vivaldi天线的研究工作中取得了不少研究成果：

Langley等人研发了一只种具有双面对称结构的带状线馈电Vivaldi天线。

此外，Linardou等人提出了利用共面波导馈电的Vivaldi天线等。

1.4本文的工作安排

本文研究了渐变槽缝天线，主要介绍了几种天线结构参数，微带线结构和加载结构对天线性能指标的影响。

利用AnsoftHFSS软件进行了仿真和分析计算，得出了一些数据和结论，为实际天线的设计提供一定的帮助。

第一章绪论，介绍了本课题的来源、目的和意义，论述了微带缝隙天线的基本结构和发展状况。

并介绍了渐变槽缝天线以与Vivaldi天线的研究状况。

第二章理论分析，先简要介绍了微带天线，然后介绍了渐变槽缝天线的分类和电流分析，接着主要介绍Vivaldi天线的结构、辐射原理。

之后介绍了常用的微带耦合馈电，并证实了用扇形短截线来代替矩形短截线确实有利于增大天线的带宽。

最后简要介绍了本文所使用的电磁仿真软件AnsoftHFSS。

第三章是主要工作内容，应用控制变量法，利用AnsoftHFSS研究天线结构变化对天线性能指标的影响。

第四章结论总结，对前文进行总结概述和对未来工作的展望。

第二章渐变槽缝天线的相关基本理论

2.1微带天线

本文所讨论的指数渐变槽型Vivaldi天线，其本质是一种缝隙微带天线，因此有必要对微带天线有一定的了解。

微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。

微带天线由于质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。

图2.1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。

与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射源的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数

和损耗正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。

图2.1微带天线的结构

对矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是

模，意味着电场在长度L方向上有

/2的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2.2（a）所示，在长度L方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流最小，从图2.2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等，方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反。

因此远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

图2.2矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图

假设矩形贴片的有效长度设为

，则有

（2-1）

式中，

表示波导波长，有

（2-2）

式中，

表示空间自由波长；

表示有效介电常数，且

（2-3）

式中

表示介质的相对介电常数，h表示介质层的厚度，W表示微带贴片的宽度。

由此，可以计算出矩形贴片的实际长度L有

（2-4）

式中，c表示真空中的光速，

表示天线的工作频率，ΔL表示图2.4（a）中所示的等效辐射缝隙的长度，且有

（2-5）

矩形贴片的宽度W可以由下式计算，

（2-6）

微带天线的馈电方式最常用的是微带线馈电和同轴线馈电。

微带线馈电方式又称为侧馈，它用于微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电。

它可以中心馈电，也可以偏心馈电，馈电点的位置取决于激励哪种模式。

对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定后，可以用以下方法进行阻抗匹配，先将中心馈电天线辐射贴片同50Ω馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片和馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。

同轴线馈电又称为背馈它是将同轴插座安排在接地板上，同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上，若寻取正确的馈电点的位置，就可以获得良好的匹配。

理论分析都是基于参考平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h的距离时，计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度

和宽度

只需满足以下两式即可，即

≥L+6h（2-7）

≥W+6h（2-8）

2.2渐变槽缝天线的分类

渐变槽缝天线（TSA）最早是由Mahapatra和Gibson提出来的，它是一种端射型的天线，多用于毫米波段。

根据渐变缝隙的不同，典型的渐变槽缝天线可以分为三种不同的类型，即直线渐变平面缝隙天线（LineralyTaperedSlotAntenna，LTSA）、非渐变平面缝隙天线（ConstantwidthSlotAntenna，CWSA）和指数渐变平面缝隙天线（Vivaldi天线），三种基本型TSA天线的结构图如图2.3所示。

Vivaldi

LTSA

CWSA

图2.3三种基本型的TSA天线结构图

由于Vivaldi天线通常具有高增益和宽频带的特点，而且具有良好的定向辐射特性，所以应用较为广泛。

Vivaldi天线是Gibson于1979年提出的一种行波天线如图2.4所示。

图2.4Vivaldi天线原型

本文着重研究Vivaldi天线，应用控制变量法，利用AnsoftHFSS进行仿真分析，得出天线结构变化对性能指标的影响。

2.3渐变槽缝天线上的电流分析

图2.5槽线表面的电流分布

渐变槽线天线表面电流分布如图2.5所示，电流在渐变槽线边缘沿槽线由窄变宽的方向上流动，电流的流动产生并辐射电磁场。

因此电流和辐射密切相关，从而影响天线的宽频带性能。

TSA表面上电流的经验公式为

I[L（x）]=

A[L（x）]sin{

（2-9）

式中L（x）为TSA指数曲线的长度，

为传播常数，A[L（x）]为衰减项。

当L（x）为指数曲线时，A[L（x）]可以由下式得到，其中P为幅度修正因子，P值和天线尺寸、天线工作频率有关。

A[L（x）]=

（2-10）

对于指数曲线的TSA来说，曲线起点

和曲线终点

之间的曲线长度L（x）为

L（x）=

dx=

dx（2-11）

简化之后得到

L（x）=

（2-12）

把上式带入TSA电流的经验计算公式即可得TSA表面电流分布公式。

2.4维瓦尔第天线

2.4.1Vivaldi天线的结构

图2.6Vivaldi天线的结构示意图

典型的Vivaldi天线结构如图2.6所示，由槽线、开路腔和渐变的指数线构成，这部分既可以用于介质板一侧的金属镀层，也可以直接是金属板，具体情况依赖于具体的馈电方式。

在天线中，最主要的部分是指数渐变线。

2.4.2Vivaldi天线的辐射原理

了解Vivaldi天线的辐射原理是十分必要的，因为我们可以更加清楚的掌握其辐射特性以与设计原则。

从各种文献来看，大多数Vivaldi天线是具有较宽的宽带、定向辐射、交叉极化、低副瓣的特点，其主要特性的发挥就在于其具有一个渐变的指数形开口，开口的大小随着开口的长度增大而增大。

从辐射机理方面来分析渐变槽线天线，不难发现其和TEM模喇叭天线有相类似的地方。

可以说，立体的结构现在被印刷在了介质板上。

喇叭天线的导波部分其实就相当于槽线，电流通过馈线耦合到槽线金属板上，沿槽线向开口方向传播，由金属边缘上分布的电流所产生的电场沿槽线一边向前传播，一边进行辐射。

辐射的最大方向沿槽线渐变方向，因此属于一种端射式行波天线。

较长的渐变槽线天线在E面和H面上有几乎相同的波束宽度，较好的对称性，较低的后瓣和交叉极化电平。

渐变槽线天线辐射时没有固定的相位中心，随着工作频率的变化天线辐射的相位中心随之沿槽线变化，所以群时延特性显得特别重要。

虽然渐变槽线天线拥有较宽的阻抗带宽，但是由于没有固定的相位中心，所以并不适用于对天线相位中心稳定性有要求的超宽带通信系统中。

作为一种行波天线，在微波频段要是Vivaldi天线实现很好的指标性能，天线单元需要几个波长的长度和几个波长的宽度，对于微波频段的应用来说尺寸就显得过大，但是如果应用于毫米波频段，尺寸问题就不明显了。

另外一般微带天线中采用高介电常数介质板来缩小天线的尺寸的方法对Vivaldi天线并不适用，因为Vivaldi天线通常是制造在低介电常数的薄介质基片上的，易于辐射，高介电常数材料通常会带来较高的表面波，影响辐射性能。

Vivaldi天线是一种行波天线，电磁波沿指数线传播，在指数线间距较小的时候，电场被金属所约束，辐射较弱，随着开口的距离越来越大，这种束缚就越来越弱，电磁波就开始辐射，也即高频端的辐射产生于开口的初始部分，低频段的辐射产生于开口的末端。

Vivaldi天线通过对介质板表面的金属涂层腐蚀光刻成。

其结构按功能不同可以分为两部分，一部分是等宽度的导波区，也就是槽线，另一部分是渐变宽度的辐射区。

Vivaldi天线槽线开口宽度由工作频带的高低频率决定的。

窄开口端对应工作频带高端频率，宽开口端对应工作频带低端频率。

这也是行波天线的一个重要特点，即不同的部分辐射不同频率的电磁波。

如果使用了介质板，由于其对电场的束缚效应，使得辐射与自由空间相比减弱了，因此采用相对介电常数较低的介质材料。

通常情况下Vivaldi天线用同轴线、微带线或是共面波导馈电，馈电部分的带宽同样影响着天线的辐射特性。

对于采用微带线馈电的Vivaldi天线，其馈电部分主要是使用槽线-微带线转换结构，该结构是由槽线-微带线转换器、微带短截线、槽线开路腔三部分组成的。

2.5微带耦合馈电

微带线由于其方便与其他系统集成，一直用于各种天线的馈线中，Vivaldi天线也不例外。

然而Vivaldi天线的馈线是槽线，这就必须面临如何将微带线中的信号最大限度的转换到槽线的问题。

而微带线是不平衡传输线，这就意味着还要有不平衡到平衡的转换，整个问题的关键就是巴伦的设计。

一种典型的设计如图2.7所示。

介质的一面为槽线，而另一面为微带线，二者交叉放置，两端分别延长λ/4.然而这种巴伦的缺点是带宽窄，针对这一问题学者们提出了很多解决方案，其中Sloan等人提出了用扇形短截线来代替矩形短截线，取得了一定的的效果，不仅增加了带宽而且对辐射也产生了有利的影响，其结构如图2.8所示。

图2.7微带-槽线转换示意图图2.8改进后的结构示意图

针对上述这两种结构，现在只改变短截线的形状，分别进行仿真分析，得出其回波损耗如图2.9和2.10所示。

图