一種基于計算分析和實物測試的新型超寬帶錐削縫隙天線設計

錐削縫隙（槽）天線基于沿著天線錐削槽傳播的表面波工作，是一種表面波型行波天線。與傳統的對數周期天線、螺旋天線等超寬帶定向天線相比，具有E面和H面定向方向圖對稱，工作頻帶寬、交叉極化低等電性能優點，同時，其重量輕，具有平面結構，易于與微波電路集成，是超寬帶定向天線的首選形式，被廣泛應用于超寬帶無線通信、寬帶相控陣雷達等領域。

在超寬帶錐削縫隙天線的設計中，所期望的波束寬度和方向性系數，可通過控制錐削槽中表面波的傳播情況來實現，即控制錐削槽天線的口徑大小、長度、錐削槽形狀、介質基片的介電常數和厚度等參數，進而影響天線的阻抗和輻射特性。一般主要涉及兩個方面：一是確定天線尺寸，錐削槽輻射臂形狀，用來滿足方向圖，增益和交叉極化等指標;二是饋電結構的設計，主要有饋線至天線槽線的平衡饋電結構，要求寬頻帶、低損耗。

1 天線結構設計

通常錐削縫隙天線長度約為λ0（λ0為最低工作頻率在自由空間中的波長），寬度約為0.5λ0。天線結構如圖1所示。漸變的輻射曲線為指數曲線，可給出曲線方程為

為減小金屬貼片對微帶一槽線巴倫的影響，貼片下邊緣與天線下邊緣的距離選為16 mm。

介質基板的介電常數εr選為2.65，根據優化式（1），厚度h選為0.6 mm得

饋電巴倫設計為微帶線-槽線轉換器結構，在給定工作頻率后，巴倫的阻抗匹配可由下式計算

Zm=n2·Zs

其中，Zm和Zs分別為微帶線和槽線的特征阻抗;n為轉換比率;t為介質基板的物理厚度;εr是介質基板的相對介電常數。

文中設計的一種微帶線一槽線轉換器結構如圖2所示，巴倫制作在介電常數εr=2.65，厚度t=0.6 mm的介質基板上，在中心頻率為7.5 GHz處，槽口寬度G為0.3 mm的槽線的特性阻抗Z0s為109.4 Ω。用一個5節阻抗變換器實現槽線與50 Ω的阻抗匹配，各界傳輸線特性阻抗依次為82 Ω、68 Ω、61 Ω、55 Ω和53 Ω，由Lincal計算的線寬依次對應為0.7 mm、1mm、1.2 mm、1.4 mm和1.5 mm。微帶扇形枝節的半徑Rm=λgm/4=6 mm，槽線扇形枝節的半徑是Rs=λgs/4=8 mm，其中λgs和λgm分別為中心頻率處槽線和微帶線的波導波長。

2 結果分析

依據計算所得初值，在HFSS12中建模仿真，圖3為天線的實物照片，其輸入端與50 Ω的SMA型同軸連接器相連。采用矢量網絡分析儀對天線的阻抗性能進行測試。如圖4所示，實測與仿真結果基本吻合，天線具有較寬的阻抗帶寬，在2～13 GHz的頻帶內，實測天線駐波比均《2，低頻處的實測結果與仿真結果吻合較好，高頻段稍差，其原因是切削橢圓形縫隙或焊接SMA接頭時引入的誤差所造成的。

圖5給出了天線在5 GHz、7.5 GHz、11 GHz頻點的遠場方向圖，可見超寬帶指數錐削縫隙天線具有較好的定向輻射特性。隨著頻率升高，介質基片的等效厚度隨之增加，E面方向圖也出現了不同程度的裂瓣。而當等效厚度逐漸增加到某個臨界值時，天線表面會出現不參與輻射的表面波，導致在個別的頻點上天線的交叉極化較高。

如圖5所示，天線H面增益方向圖半功率波瓣寬度為60°～140°，方向圖對稱性良好，有利于實現寬角掃描。E面增益方向圖半功率波瓣寬度為30°～66°。還可看出天線增益方向圖在高頻段出現副瓣，但其電平值較低且在主瓣范圍內波形保持較好，未產生畸變。

因此，不影響工程使用。

加載縫隙前后的電流分布對比情況如圖6所示，對比A，B兩處，半橢圓縫隙改變了輻射臂的電流分布，進而對天線低頻段的定向性產生了影響。饋電部分的電流分布在一定程度上變大，使得天線在高頻段的增益出現波動。

如圖7所示，在2～3 GHz的低頻段，天線增益逐漸降低。由圖可見，在3～10 GHz頻段，隨著頻率升高，天線增益逐漸增大，但高于10 GHz后，增益會有所下降。這是因為在高頻段，天線能量的輻射區域靠近饋電部分，輻射的物理導行區變得過長，使部分能量損耗在了介質中。另外，在高頻段由于出現爬行在金屬表面且不輻射的表面波，也影響了天線增益。

3 結束語

文中通過計算分析和實物測試，設計了一種新型的超寬帶錐削縫隙天線，仿真與實測結果均表明天線具有良好的全向輻射特性和6.5：1的工作帶寬。該天線整體尺寸較小，剖面尺寸較低，有利于實現與其他射頻電路的集成化設計，且增益較高，易于組成陣列天線，在無線通信系統中具有較好的應用價值。