應用HFSS設計小型化Vivaldi天線

    摘 要：本文采用Ansoft 公司的HFSS 軟件設計一種小型化的Vivaldi 天線，天線可覆蓋0.38GHz～2.7GHz，尺寸僅為90mm×130mm。為了實現小型化，該天線采用微帶線巴倫，并采用電阻和電感加載。

    1 前言

    Vivaldi 天線作為一種行波天線，具有端射輻射、工作頻帶寬、剖面低等特點。但是由于其低頻輻射特性受開口尺寸的限制UHF 頻段的Vivaldi 尺寸還是偏大，在小平臺上的使用受到限制。文獻【1】中設計了一種工作在0.5GHz～2GHz 的Vivaldi 天線尺寸約為263mm ×345mm，本文利用HFSS 仿真設計了一款工作在 0.38GHz～2.7GHz 的Vivaldi 天線，采用電阻、電感加載以及高介電常數的介質，最終天線尺寸僅為90mm×130mm。

    2. 天線設計

    Vivaldi 天線的結構見圖1，采用微帶耦合饋電，考慮到天線孔徑尺寸的限制采用高介電常數介質以及電阻電感加載的小型化措施。分析參數的敏感性可以得到敏感參數主要為： 諧振環的半徑 r-ring，微帶線的位置 offset_m89、L_m89，以及縫隙開口寬度W_slot，見圖2。該天線介質基片介電常數為10.2，縫隙區域和金屬區域的特性阻抗接近構成了一對互補對天線，因此天線的低頻諧振頻率都最大開口尺寸的影響不大，此方法可以作為設計小型化天線的一種思路。

圖1 天線結構圖

圖2 駐波敏感參數

    初步的駐波仿真結果見圖3，我們要用HFSS的微擾功能，將r-ring、offset_m89 、L_m89、W_slot 設置為微擾參量，見圖4。圖5 為仿真完成后使用results 選項中的Tune Reports 對S11 進行微擾，從圖6 中可以看出微擾的結果和仿真的結果很吻合。經過多次微擾后可以得到圖7 的S11 參數，駐波見圖8。整個過程花費的時間約為 30 分鐘，可見采用HFSS 設計天線可以大大縮短研發周期。

圖3 初步仿真結果

圖4 微擾功能設置

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