HFSS设计小型化Vivaldi天线
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摘 要：本文采用Ansoft 公司的HFSS 软件设计一种小型化的Vivaldi 天线，天线可覆盖0.38GHz～2.7GHz，尺寸仅为90mm×130mm。为了实现小型化，该天线采用微带线巴伦，并采用电阻和电感加载。
1 前言
Vivaldi 天线作为一种行波天线，具有端射辐射、工作频带宽、剖面低等特点。但是由于其低频辐射特性受开口尺寸的限制UHF 频段的Vivaldi 尺寸还是偏大，在小平台上的使用受到限制。文献【1】中设计了一种工作在0.5GHz～2GHz 的Vivaldi 天线尺寸约为263mm ×345mm，本文利用HFSS 仿真设计了一款工作在 0.38GHz～2.7GHz 的Vivaldi 天线，采用电阻、电感加载以及高介电常数的介质，最终天线尺寸仅为90mm×130mm。
2. 天线设计
Vivaldi 天线的结构见图1，采用微带耦合馈电，考虑到天线孔径尺寸的限制采用高介电常数介质以及电阻电感加载的小型化措施。分析参数的敏感性可以得到敏感参数主要为： 谐振环的半径 r-ring，微带线的位置 offset_m89、L_m89，以及缝隙开口宽度W_slot，见图2。该天线介质基片介电常数为10.2，缝隙区域和金属区域的特性阻抗接近构成了一对互补对天线，因此天线的低频谐振频率都最大开口尺寸的影响不大，此方法可以作为设计小型化天线的一种思路。
图1 天线结构图
图2 驻波敏感参数
初步的驻波仿真结果见图3，我们要用HFSS的微扰功能，将r-ring、offset_m89 、L_m89、W_slot 设置为微扰参量，见图4。图5 为仿真完成后使用results 选项中的Tune Reports 对S11 进行微扰，从图6 中可以看出微扰的结果和仿真的结果很吻合。经过多次微扰后可以得到图7 的S11 参数，驻波见图8。整个过程花费的时间约为 30 分钟，可见采用HFSS 设计天线可以大大缩短研发周期。
图3 初步仿真结果
图4 微扰功能设置
图5 使用微扰功能调节驻波
图6 微扰结果和仿真结果比较
图7 经几次微扰调节后的 S11 参 数
图8 调整好的天线 VSWR
3 实验结果
通过仿真得到频带内若干个频点的方向图，以及增益曲线随频率的变化特性（图 9）。 从图 9a）、b）中可以看到天线的辐射类似于偶极子辐射方式，可见是天线的金属部分在辐射，但频率升高时缝隙的辐射是主要的。
a）0.5GHz b）1GHz
c）1.5GHz d）2GHz
e）2.5GHz f）天线增益随频率的变化
图9 天线增益
4 结论
本文提出了一种Vivaldi 天线的小型化方法，并采用HFSS 对天线进行仿真。该天线的VSWR 小于2 的带宽为 0.38GHz～2.7GHz，具有中等增益，可以广泛应用在接收天线中。
[参考文献]
[1] 张峰等，一种工作于0.5～2GHz 的小型化Vivaldi 天线。微波学报。2010.12
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