Vivaldi天线改进方法的仿真研究

简介：
本研究针对Vivaldi天线性能进行深入探讨与优化，通过计算机仿真技术探索其结构改进方案，旨在提升天线的工作效能和宽带特性。 本研究选取强方向性的Vivaldi天线作为主要对象，并基于等效电路理论确定了其结构参数。通过高频仿真软件Ansoft HFSS 11对电性能进行了定量分析，提出了一种新的优化方法：在天线两侧开栅栏并在尾部加抗流栅栏，从而将金属贴片上的表面电流聚焦到槽线部分，显著改善了辐射特性，在350 MHz和830 MHz的增益分别达到5.7 dBi和8.7 dBi。 Vivaldi天线由GIBSON P J在1979年提出，是一种宽带天线，具有宽频带、高增益、波束对称以及易于集成等优点。它属于指数渐变槽线天线的一种，在UHF频段的应用和优化设计是当前研究的重点领域。 本项目以Vivaldi天线为起点，通过理论分析确定了金属贴片尺寸及槽线宽端开口H与窄端开口WSL的参数，并利用Ansoft HFSS 11进行电性能仿真。在350 MHz和830 MHz频段下分别达到了5.7 dBi和8.7 dBi的增益，证明了优化设计的有效性。 为改善天线辐射特性，研究中提出了一种新的方法：即通过两侧开栅栏并在尾部加抗流栅栏来集中金属贴片上的表面电流。此优化方案不仅在350 MHz频段保持性能不变，还减小了介质基板的尺寸实现了轻量化设计。 使用Ansoft HFSS 11软件构建天线模型，涵盖指数渐变槽线、等宽度槽线、圆形谐振腔及馈电结构，并进行频率范围划分以减少有限元算法误差。在200 MHz至1.3 GHz频段内，电压驻波比（VSWR）保持在2.5以下，满足工程需求。 栅栏的深度、宽度和位置经过精心设计来平衡电流分布并抑制边缘电流，从而提高辐射效率和增益。对比加栅栏前后天线性能的变化显示，在340 MHz至1 GHz频段内，VSWR值显著降低且驻波小于2，表明优化效果明显。 不同频率下观察到的金属贴片上的电流分布证实了栅栏引导电流集中在槽线区域的效果，并随着频率升高其辐射作用减弱。最终在加载栅栏后，在350 MHz和830 MHz处分别获得5.7 dBi和8.7 dBi的增益，证明该优化设计的成功。 综上所述，通过理论分析与仿真技术对Vivaldi天线进行了深度优化，并特别针对UHF频段实现了显著性能提升。这为未来Vivaldi天线在临近空间通信等领域的应用提供了坚实的理论支持和设计参考。