一种基于计算分析和实物测试的新型超宽带锥削缝隙天线设计

锥削缝隙（槽）天线基于沿着天线锥削槽传播的表面波工作，是一种表面波型行波天线。与传统的对数周期天线、螺旋天线等超宽带定向天线相比，具有E面和H面定向方向图对称，工作频带宽、交叉极化低等电性能优点，同时，其重量轻，具有平面结构，易于与微波电路集成，是超宽带定向天线的首选形式，被广泛应用于超宽带无线通信、宽带相控阵雷达等领域。

在超宽带锥削缝隙天线的设计中，所期望的波束宽度和方向性系数，可通过控制锥削槽中表面波的传播情况来实现，即控制锥削槽天线的口径大小、长度、锥削槽形状、介质基片的介电常数和厚度等参数，进而影响天线的阻抗和辐射特性。一般主要涉及两个方面：一是确定天线尺寸，锥削槽辐射臂形状，用来满足方向图，增益和交叉极化等指标;二是馈电结构的设计，主要有馈线至天线槽线的平衡馈电结构，要求宽频带、低损耗。

1 天线结构设计

通常锥削缝隙天线长度约为λ0（λ0为最低工作频率在自由空间中的波长），宽度约为0.5λ0。天线结构如图1所示。渐变的辐射曲线为指数曲线，可给出曲线方程为

为减小金属贴片对微带一槽线巴伦的影响，贴片下边缘与天线下边缘的距离选为16 mm。

介质基板的介电常数εr选为2.65，根据优化式（1），厚度h选为0.6 mm得

馈电巴伦设计为微带线-槽线转换器结构，在给定工作频率后，巴伦的阻抗匹配可由下式计算

Zm=n2·Zs

其中，Zm和Zs分别为微带线和槽线的特征阻抗;n为转换比率;t为介质基板的物理厚度;εr是介质基板的相对介电常数。

文中设计的一种微带线一槽线转换器结构如图2所示，巴伦制作在介电常数εr=2.65，厚度t=0.6 mm的介质基板上，在中心频率为7.5 GHz处，槽口宽度G为0.3 mm的槽线的特性阻抗Z0s为109.4 Ω。用一个5节阻抗变换器实现槽线与50 Ω的阻抗匹配，各界传输线特性阻抗依次为82 Ω、68 Ω、61 Ω、55 Ω和53 Ω，由Lincal计算的线宽依次对应为0.7 mm、1mm、1.2 mm、1.4 mm和1.5 mm。微带扇形枝节的半径Rm=λgm/4=6 mm，槽线扇形枝节的半径是Rs=λgs/4=8 mm，其中λgs和λgm分别为中心频率处槽线和微带线的波导波长。

2 结果分析

依据计算所得初值，在HFSS12中建模仿真，图3为天线的实物照片，其输入端与50 Ω的SMA型同轴连接器相连。采用矢量网络分析仪对天线的阻抗性能进行测试。如图4所示，实测与仿真结果基本吻合，天线具有较宽的阻抗带宽，在2～13 GHz的频带内，实测天线驻波比均《2，低频处的实测结果与仿真结果吻合较好，高频段稍差，其原因是切削椭圆形缝隙或焊接SMA接头时引入的误差所造成的。

图5给出了天线在5 GHz、7.5 GHz、11 GHz频点的远场方向图，可见超宽带指数锥削缝隙天线具有较好的定向辐射特性。随着频率升高，介质基片的等效厚度随之增加，E面方向图也出现了不同程度的裂瓣。而当等效厚度逐渐增加到某个临界值时，天线表面会出现不参与辐射的表面波，导致在个别的频点上天线的交叉极化较高。

如图5所示，天线H面增益方向图半功率波瓣宽度为60°～140°，方向图对称性良好，有利于实现宽角扫描。E面增益方向图半功率波瓣宽度为30°～66°。还可看出天线增益方向图在高频段出现副瓣，但其电平值较低且在主瓣范围内波形保持较好，未产生畸变。

因此，不影响工程使用。

加载缝隙前后的电流分布对比情况如图6所示，对比A，B两处，半椭圆缝隙改变了辐射臂的电流分布，进而对天线低频段的定向性产生了影响。馈电部分的电流分布在一定程度上变大，使得天线在高频段的增益出现波动。

如图7所示，在2～3 GHz的低频段，天线增益逐渐降低。由图可见，在3～10 GHz频段，随着频率升高，天线增益逐渐增大，但高于10 GHz后，增益会有所下降。这是因为在高频段，天线能量的辐射区域靠近馈电部分，辐射的物理导行区变得过长，使部分能量损耗在了介质中。另外，在高频段由于出现爬行在金属表面且不辐射的表面波，也影响了天线增益。

3 结束语

文中通过计算分析和实物测试，设计了一种新型的超宽带锥削缝隙天线，仿真与实测结果均表明天线具有良好的全向辐射特性和6.5：1的工作带宽。该天线整体尺寸较小，剖面尺寸较低，有利于实现与其他射频电路的集成化设计，且增益较高，易于组成阵列天线，在无线通信系统中具有较好的应用价值。