引 言

早期超宽带(ultra wideband, UWB)技术主要用于军用雷达,以及低截获率、低侦测率的通信系统,但近几年其在商用和民用领域也有越来越多的应用.UWB具有传输速率高、带宽极宽、能耗小、分辨率高、抗干扰性强等特点,使其应用于地质勘探、生命探测、汽车防冲撞、精准定位等领域有很大的优势[1-4].特别地,近年来物联网行业显露了很强的发展潜力,而室内精准定位是物联网的关键性技术,UWB技术是室内定位很好的解决方案,例如Ubisense RTLS等UWB精准定位系统.

Vivaldi天线具有频带宽、交叉极化低、方向图稳定、增益高、增益平坦、易于加工集成等特点[1-4],适合应用于商用民用UWB系统.Vivaldi天线由P. J. Gibson在1979年提出,它是一种宽频带的指数渐变缝隙天线(exponentially tapered slot antennas, ETSA)[5].ETSA需从低特性阻抗的微带线转换到高特性阻抗的共面带状线,转换电路较复杂且阻抗带宽较窄.Ehud Gazit提出了一种对拓型Vivaldi天线(antipodal Vivaldi antenna, AVA)[6].AVA的两渐变线分别位于基板两面,形成微带线-平行带线-渐变槽线的结构,使得天线更易于与50 Ω传输线匹配,获得更宽的阻抗带宽.Aaron改进了AVA的结构,提出了一种小尺寸的Vivaldi天线,然而其在UWB频带低频段驻波比较差,且增益较低[2].Kun Ma、Wu和Pandey等人也提出了几种小尺寸Vivaldi天线,然其带宽和增益均需进一步改善[1,3-4,7-8].Wang等人提出了几种改善Vivaldi天线增益、扩展带宽的方法[9-10],然其方法增大了天线电尺寸,要满足商用民用系统对小尺寸、可集成的要求,仍需改进.

文章基于传统的对拓型Vivaldi天线,提出一种新型小尺寸的对拓型Vivaldi天线.新型天线采用波纹、开眼和引向器等结构,展宽了工作带宽,且保持了小尺寸.在FR-4和Rogers RO4003C两种基板上加工和测试了带引向器的波纹开眼对拓型Vivaldi天线.新型天线-10 dB频带均包含3～20 GHz,尺寸仅为42.56 mm×40.16 mm×0.813 mm,并且具有良好的方向图稳定性、平坦增益、低交叉极化和良好波形保真度.

1 天线的设计与分析

1.1 传统对拓型Vivaldi天线

对拓型Vivaldi天线易于与50 Ω传输线匹配,具有较宽的带宽.文献[2]设计了一种传统的小尺寸对拓型Vivaldi天线,如图1所示.两块对称的指数渐变金属片分别位于基板的正面和背面,金属片的内外边缘渐变曲线采用如下公式(1)和(2):

(1)

(2)

分别在FR-4 (εr=4.4, tan σ=0.02)和Rogers RO4003C (εr=3.38, tan σ=0.0027)两种基板上,加工上述新型天线,如图11.尺寸参数如表1～3所示,其中呈梯形引向器底边长2.6 mm,顶边长1.73 mm,高0.75 mm,底边距离微带线末端26.3 mm.利用Agilent N5244A PNA-X network analyzer测量天线2～20 GHz的阻抗特性;利用NSI 2000 nearfield measurement system测量天线4～18 GHz的球面场,如图12所示.

图1 传统对拓型Vivaldi天线结构图 Fig.1 A typical Antipodal Vivaldi Antenna

采用两种不同材料的基板进行了设计与仿真,分别为厚度1.4 mm、介质常数4.4的FR-4,和厚度0.813 mm、介质常数3.38的Rogers RO4003C,其结构参数如表1所示:

表1 对拓型Vivaldi天线结构参数 Tab.1 The dimension of the AVA

基板cs/mmkscw/mmkwFR⁃4RO4003C0 10 10 160 161 51 80 010 01基板la/mmlm/mmwa/mmFR⁃4RO4003C35 6535 657 67 635 5635 56

利用HFSS仿真,得到回波损耗S11,如图2.

(a) FR-4

(b) RO4003C 图2 对拓型Vivaldi天线的回波损耗 Fig.2 Return losses of AVA

由图2可知,FR-4天线在A点(9.5 GHz)和B点(4.5 GHz)附近S11大于-10 dB,RO4003C天线在C处(4.5～6 GHz)S11大于-10 dB,而这些频点刚好落在IEEE 802 15a标准的工作频带3.1 ～10.6 GHz.为了改善工作频带内的阻抗匹配性能,将采用新型结构进行改进.

1.2 采用波纹结构改进

为了展宽工作带宽,将渐变槽线内边缘改进为波纹结构.内边缘的波纹结构可以切断边缘电流,延长电流到天线末端的电长度,从而展宽带宽.同时波纹结构能使表面电流更集中于内边缘,抑制外边缘电流,使得表面电流分布更稳定,带宽更宽.波纹对拓型Vivaldi天线(CAVA)结构如图3所示.

(a) 整体 (b) 局部放大 (a) whole (b) fractionated gain 图3 波纹对拓型Vivaldi天线结构 Fig.3 The profile of CAVA

利用HFSS进行参数优化,结果显示当波纹深度随着y轴逐渐变浅,以及两内边缘的波纹不对称时,如图3(b),能获得更宽的带宽.多次仿真试验发现,波纹的深度从内向外线性渐变浅,到达天线末端时深度为0,可获得较好的驻波比．较优的波纹深度随y坐标变化的关系如下:

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(3)

式中:wc表示波纹凹槽宽度;dc是凹槽深度;sc是两凹槽间距;d0是从里往外第一个凹槽的深度;y是凹槽下边缘的y轴坐标,凹槽边缘与x轴平行;y0是第一个凹槽下边缘的y轴坐标.多次仿真发现:d0大小可根据对拓型Vivaldi天线的内边缘表面电流密度分布进行估算,电流越集中于内边缘,d0应当越小;wc与sc应当远小于y轴方向波长.

图7中RO4003C天线在频点14 GHz附近S11仍大于-10 dB,将引入引向器结构进一步改进.

图10比较了带引向器波纹开眼对拓型Vivaldi与传统对拓型Vivaldi天线仿真S11.相比传统结构,新型结构在工作频带内S11更平坦,阻抗带宽更宽.两种介质上的新型天线在UWB通信的规范工作频带内均有良好的阻抗匹配性能,且-10 dB带宽更是展宽到20 GHz以上,包含3～20 GHz.

表2 优化的波纹结构参数 Tab.2 Optimized dimension of CAVA mm

基板wcscd0y0FR⁃4上表面FR⁃4底面RO4003C上表面RO4003C底面0 230 230 230 230 230 230 230 230 690 690 840 845 525 835 525 83

优化的波纹对拓型Vivaldi天线仿真S11如图4所示.

从次生根条数来看，西农223次生根8.8条，次生根条数最多，表明地下生长健壮；小偃22、陕农33、武农6号次生根8.0条，并列第二；登峰168次生根7.1条，位居第三；九麦2号次生根7.0条，位居第四；秦农578次生根6.7条，位居第五。中麦895次生根5.0条，位居第六。（见附表2）

(a) FR-4

(b) RO4003C 图4 有无波纹的天线的回波损耗S11对比图 Fig.4 Return losses of AVA and CAVA

从图4可知:FR-4有波纹天线与无波纹相比,频点9.5 GHz(A点)和4.5 GHz(B点)处的S11得到有效改善,频带2.9 ～19 GHz内S11均小于-10 dB;RO4003C有波纹天线与无波纹相比,频带4.5 ～6 GHz(C点)内S11得到有效改善,且-10 dB带宽向更低频展宽,但5.2 GHz频点附近S11仍大于-10 dB,14 GHz以上的S11有所上升,需进行进一步改进.整体而言,波纹结构能有效地展宽带宽.为了进一步分析波纹结构对表面电流的影响,图5给出了波纹对拓型Vivaldi天线与传统天线在7 GHz频点的表面电流(复数)归一化幅度分布图.

目前，越来越多的国内企业走出国门，到海外去打拼市场。为了节约用工成本，很多企业会雇佣当地员工，而对当地员工的管理要面临文化冲突、语言障碍等诸多困难，要克服水土不服的情况，管理好属地员工，做好沟通管理是很重要的工作。

针对波纹对拓型Vivaldi天线在部分频点的回波损耗仍需进一步改善,将引入开眼结构.

图5 表面电流归一化复幅度分布图 Fig.5 Normalized complex amplitude of surface current

从图5可知,波纹对拓型Vivaldi天线的末端表面电流更小,因为波纹结构切断了边缘电流,延长了电长度．波纹结构可延长表面电流到末端的通路,展宽带宽,而不增大天线尺寸.此外,表面电流更集中于天线内边缘,抑制了外边缘电流,可改善表面电流分布的稳定性,获得更宽带宽.

从3个年级分别采用基于K-means算法的评选方法和传统评选方法的结果对比表中可以分析出：基于K-means算法的评选结果与传统评选结果存在部分重叠的情况，是因为部分班级不仅总分高，而且班级各属性值都较均衡，同时可以说明，新的优秀班集体评选方法，在传统评选方法的基础上兼顾了班级各项评价属性的均衡发展。

1.3 采用开眼结构改进

开眼结构即在天线靠近内边缘处,腐蚀掉两圆形金属区域(类似睁开的双眼).开眼结构能进一步延长表面电流到末端的通路,抑制外边缘电流,获得更稳定的表面电流分布,展宽带宽.开眼波纹对拓型Vivaldi天线(OCAVA)的结构如图6．

2.2 病例组与对照组治疗后各指标的比较 治疗后病例组和对照组相比，只有尿素和乳酸差异有统计学意义(P<0.05)，其他指标，如：血糖、三酰甘油、总胆固醇、HDL、LDL、凝血酶原时间等指标差异无统计学意义(P>0.05)。

做足主题性报道重在挖掘特色主题，拓展延伸主题内容。当前正在开展的教育实践活动，同样要求采编人员坚持群众路线、践行“四民”要旨。因此，采编人员应该多深入基层、深入一线，与广大群众交心谈心。

从多次仿真的结果发现,圆心应大致位于与内外边缘距离相等且相比微带线表面电流衰减-20 dB的位置;半径大小取值应满足:图6(b)中A点的表面电流为B点的-20 dB,其中AB为圆到渐变线内边缘的距离.利用HFSS参数优化,得到优化的天线结构参数如表3所示．

(a) 整体 (b) 局部放大 图6 开眼波纹对拓型Vivaldi天线结构图 Fig.6 Profile of OCAVA

表3 开眼结构的参数 Tab.3 Dimension of OCAVA mm

基板半径圆心FR⁃4上表面FR⁃4底面RO4003C上表面RO4003C底面2 51 52 82 0(3 59，15 64)(-2 59，15 64)(3 50，15 00)(-3 00，14 50)

利用HFSS进行仿真,得到回波损耗图7.从图发现,相比无开眼结构的波纹对拓型Vivaldi天线,有开眼结构的有更宽的-10 dB带宽.FR4天线在19 GHz附近的S11降低到了-10 dB以下,-10 dB带宽展宽到2.9～20 GHz;RO4003C天线在5.2 GHz附近的S11降低到了-10 dB以下,-10 dB带宽展宽到3～13 GHz.两种材料上改进的天线在3.1～10.5 GHz频带内S11均已小于-10 dB.

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(a) FR-4

(b) RO4003C 图7 有无开眼的天线的回波损耗S11对比图 Fig.7 Return losses of CAVA and OCAVA

1.4 增加引向器结构

为了向高频端进一步展宽带宽,在天线末端加入引向器.通过调整引向器位置和尺寸,可改善天线阻抗匹配.带引向器的开眼波纹对拓型Vivaldi天线(DOCAVA)结构如图8,引向器位于基板底面,且关于y轴对称,引向器底边距离微带线末端26.3 mm.呈梯形的引向器底边长2.6 mm,顶边长1.73 mm,高0.75 mm.

图8 带引向器的开眼波纹对拓型Vivaldi天线结构 Fig.8 Profile of DOCAVA

利用HFSS仿真分析,增加引向器结构后的回波损耗如图9.从图9可发现,引向器对FR-4天线S11基本无影响,但改善了RO4003C天线的阻抗匹配性能,14 GHz频点附近的S11降到了-10 dB以下,-10 dB带宽向高频段展宽到了20 GHz以上.

分别将基板为FR-4和RO4003C的对拓型Vivaldi天线改进为波纹对拓型Vivaldi天线,波纹的凹槽宽度和间距不随y轴变化.利用HFSS参数优化,得到两天线的波纹结构参数,如表2所示.

(a) FR-4

(b) RO4003C 图9 有无引向器的天线的回波损耗对比图 Fig.9 Return losses of OCAVA and DOCAVA

(a) FR-4

(b) RO4003C 图10 新型与传统天线的回波损耗对比图 Fig.10 Return losses of typical and proposed antennas

2 天线的测试与结果分析

式中:坐标原点为微带线末端中点,x轴垂直于微带线,y轴平行于微带线;lm为微带线长度;wa为微带线宽度;la为金属区域长度;cs,ks,cw,kw用于控制指数曲线的形状.

dc=d0(la-lm-y)/(la-lm-y0).

图11 天线加工实物图 Fig.11 Productions of proposed antennas

图12 天线测试场景 Fig.12 Testing environment

2.1 回波损耗与增益

图13对比了新型天线仿真与实测的S11,实测结果与仿真结果基本一致.但由于焊接的影响,实测结果波纹较大,加工公差也会有一定影响.若使用SMA连接头直接与天线连接,并谨慎焊接,将能获得更好的实测结果.

2.1 乳腺叶状肿瘤良恶性病理表现 纳入研究107例患者的107个病灶其中良性乳腺叶状肿瘤45个，交界性乳腺叶状肿瘤33个，恶性乳腺叶状肿瘤29个。其中，良性病灶出现膨胀性形状，且间质细胞较为疏松的排列，具有明显的核分裂象(每10个高倍视野下0～4个核分裂象)，但并无出血坏死的病理表象；交界性乳腺叶状肿瘤呈现明显的浸润性生长，且间质细胞生长过度，具有明显的核分裂象(每10个高倍视野下5～9个核分裂象)，可见少量出血坏死现象；恶性乳腺叶状肿瘤间质细胞排列紧密，但胞质内明确可见空泡，且导管稀少，每10个高倍视野下10个核分裂象，可见大片出血和坏死。

图14展示了不同频点的传统天线和新型天线的仿真增益,以及新型天线的实测增益.两种介质上的新型天线增益均在3 dBi以上,带内增益较平坦.FR-4新型天线的仿真最大增益为6.5 dBi,实测为6.2 dBi.由于FR-4高频介质损耗明显增大,FR-4天线的高频段增益有所下降.RO4003C新型天线的最大增益仿真为7.3 dBi,实测为6.5 dBi.由于焊接处高频损耗较大,RO4003C天线高频处的实测增益有所下降,这同样导致S11的高频段实测结果与仿真偏差稍大(见图13(b)).

(a) FR-4

(b) RO4003C 图13 新型天线仿真与测试回波损耗对比图 Fig.13 Simulated and tested return losses

(a) FR-4

(b) RO4003C 图14 新型天线仿真与测试增益对比图 Fig.14 Simulated and tested gains

2.2 方向图与交叉极化

图15展示了新型天线与传统天线在11 GHz频点的仿真方向图,其中xoy平面为E面,yoz平面为H面.结果显示,新型天线与传统天线主极化方向图基本一致,且获得了更低的交叉极化水平.

图16显示,在工作频带内,新型天线保持了良好的方向图稳定性,端射方向上交叉极化水平抑制在-15～-30 dB.由于环境和加工误差的影响,实测交叉水平略差于仿真结果.由于天线背后吸波材料的影响(如图12),后向辐射功率实测值明显小于仿真值.

(a) FR4,E-plane@11 GHz (b) FR4,H-plane@11 GHz

(c) RO4003C,E-plane@11 GHz (d) RO4003C,H-plane@11 GHz 图15 新型天线与传统天线仿真方向图 Fig.15 Simulated patterns of typical and proposed antennas

(a) FR4,E-plane@4 GHz (b) FR4,H-plane@4 GHz

(c) FR4,E-plane@18 GHz (d) FR4,H-plane@18 GHz

(e) RO4003C,E-plane@4 GHz (f) RO4003C,H-plane@4 GHz

(g) RO4003C,E-plane@18 GHz (h) RO4003C,H-plane@18 GHz 图16 新型天线仿真与实测方向图 Fig.16 Simulated and tested patterns

2.3 波形保真度

图17仿真相位是天线端射方向远场电场相位;实测时延是两相同天线距20 cm正对收发测试而得时延.工作频带内,仿真相位满足线性相位,实测时延随频率变化小于0.5 ns,仿真和实测结果都显示天线具有良好的波形保真度,适用于UWB通信.

(a) FR-4

(b) RO4003C 图17 新型天线相位与时延 Fig.17 Phases and delays of proposed antennas

3 结 论

基于传统小尺寸对拓型Vivaldi天线,提出一种新型的带引向器开眼波纹对拓型Vivaldi天线,分析了波纹、开眼和引向器等结构对改善匹配性能的作用.在FR-4和Rogers RO4003C两种介质材料上,加工和测试了这种新型天线,实测与仿真结果吻合.这种新型天线改善了IEEE 802 15a标准的工作频带内的阻抗匹配性能,并且具有更宽的带宽、稳定的方向图、平坦的增益、低交叉极化、良好的波形保真度,具有较高的应用和参考设计价值.

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虽然现在对于椰果采摘机的研究有所加强，但是仍局限在一些地方的研究所还有一些大学的实验室，而真正意义上的属于椰果采摘机的专项的研究中心还没有诞生。要想在椰果采摘机的发明上取得真正的实用性突破，最好是能够建立专项的椰果采摘机研究中心，并且吸引一些专项的科研人员。本文设计了椰果采摘机的工作流程图，如图1所示。