Vivaldi天線小型化及組陣研究

本文首先介紹了現在常用的一種天線即Vivaldi天線，分別研究了Vivaldi天線的優缺點。因其良好的輻射特性而被廣泛使用，且具有結構不復雜易于制造等特點，更容易實現天線寬頻寬帶的目的。隨后對Vivaldi天線的組陣技術作了研究，對組陣后的Vivaldi陣列進行分析。最后對Vivaldi天線的散射特性作簡要介紹，說明了Vivaldi天線在實際生活中的廣泛應用。

【關鍵詞】Vivaldi天線 小型化 陣列 隱身

1 Vivaldi天線

1.1 Vivaldi天線原理簡介

隨著天線技術的快速發展，小型化、超寬帶等特性越來越被天線設計研究者所重視。微帶天線因其結構簡單易于饋電、易于共形加工等特點而被廣泛應用于微波通信的各個領域中。微帶天線通常采用的一類微帶天線即在一個薄介質基板（如聚四氟乙烯）上，一面涂層金屬薄層作為接地板，另一面用蝕刻等方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就是微帶天線的簡單結構。可以看出，微帶天線結構簡單易加工，方向性好，不管在民用還是軍用中都有良好的發展前景。

而Vivaldi天線即屬于微帶天線，不但具有微帶天線制造上的簡易的優點，更具有超寬帶的良好特性，使其在實際應用中表現出色，也開始被廣泛關注和研究。Vivaldi天線在蝕刻面采用漸變槽式，蝕刻線為一種連續成比例的漸變曲線，而這部分漸變結構的縫隙即為天線的輻射單元。Vivaldi天線是一種線極化天線，輻射電場矢量方向與介質平面平行。通過已有的一些文獻研究結果可以發現，對于Vivaldi天線，頻帶的最低頻率與其開口的寬度有直接關系。Vivaldi天線在不同頻率下，只有槽線寬度與波長接近的部分有有效輻射。隨著工作頻率的改變，輻射部分也隨著變化，而這部分槽線的寬度與輻射波長直接成比例。可以看出，Vivaldi天線在體積較小且結構比較簡單的前提下，實現了超寬帶特性，而且由于加工簡單，可以適用于大批量生產的情況，因此得到了快速的發展。

1.2 Vivaldi天線小型化研究

在Vivaldi天線設計中，饋電決定了高頻頻限，而孔徑尺寸即槽線開口寬度決定了低頻頻限。因此，為了實現Vivaldi天線的超寬帶特性，饋電部分的設計一定要合理。一般采用的饋電方法有同軸線饋電方法和微帶饋電方法。通常采用微帶饋電方法，微帶線的終端即扇形結構，主要起終端負載匹配作用。

上面介紹了傳統的Vivaldi天線，接下來介紹一種新型Vivaldi天線——對拓Vivaldi天線。傳統的Vivaldi天線帶寬受到微帶線槽線過渡轉換的限制，針對這一缺點，1988年Ehud Gazit學者提出了一種對拓型Vivaldi天線，解決這一困難，成為Vivaldi天線發展史上一個重大突破。對拓型Vivaldi天線將傳統的Vivaldi天線中形成槽線的兩塊金屬輻射貼片分別置于低介電常數材料基板的上下兩個面上。基于這種對拓型Vivaldi天線而發展出的側饋對拓型Vivaldi天線則在不影響天線輻射性能的前提下實現的小型化的要求。側饋對拓型Vivaldi天線，顧名思義，即從側面用微帶線對天線進行饋電，有效利用對拓型Vivaldi天線原有的輻射貼片已經占有的面積，減少了從微帶饋線到槽線的過渡面積，這樣做達到天線小型化的目的。但是由于電場與低介電常數材料基板存在傾角，會導致天線較差極化較差。除此之外還有其他實現Vivaldi天線小型化的方法，如在2005年，Kayani學者提出的一種單面設計采用微帶線到槽線耦合到集成Vivaldi天線同樣實現了Vivaldi天線小型化的目的，可以看出，Vivaldi天線小型化正逐漸成為研究的重點目標。

2 Vivaldi天線陣列研究

單個天線無法滿足某些特殊的要求比如實現波束掃描覆蓋大范圍空域等。根據電磁波空間干涉理論，把多個單元天線按照一定規律排列形成天線陣列，并對每個單元天線進行適當激勵，即可滿足上述單個天線無法滿足的一些要求。不論是民用等移動通訊系統還是軍用的雷達火炮掃描等，都采用的是陣列天線技術。

同樣，將Vivaldi天線組陣后，可以實現波束集中，提高天線方向性和增益，實現相控掃描等。前面提到過，Vivaldi天線在實現了小型化、超寬帶等目標的同時，交叉極化較差，為了解決這一問題，有學者通過對對拓型Vivaldi天線進行不同排陣方式達到改善交叉極化的目的。而這一思路是根據一種平衡Vivaldi天線的原理來設計的。平衡Vivaldi天線即在對拓型Vivaldi天線的基礎上增加了一層金屬對稱層電路，這樣就使得電場從低介電常數基板中間金屬涂覆層饋入，由中間金屬層分別指向外側兩層金屬層，這種結構可以有效降低Vivaldi天線的交叉極化電平。

3 Vivaldi天線散射研究

在軍用隱身飛行器設計中，天線艙作為三大強散射源之一，一直是設計時的重點研究目標。而天線的隱身性能同樣重要。Vivaldi天線由于易共形及具有較低的RCS（雷達散射截面積）成為隱身飛行器常用的選擇。由于敏感性問題，目前對這類天線的RCS減縮研究相關文獻較少，但是對其他天線的RCS縮減技術研究有很多，包括開槽、阻抗加載技術等，同樣也可以用于Vivaldi天線，達到天線RCS縮減的目的，提高天線隱身性能。

4 總結

本文通過對Vivaldi天線的研究可以發現，Vivaldi具有超寬帶，易于小型化，結構簡單易加工易共形等特點，可廣泛用于民用軍用的各個層面。

參考文獻

[1]李晉陽.基于加載方法的小型化Vivaldi天線研究[D].西安電子科技大學，2010.

[2]徐志，劉其中，章傳芳，等.改進型Vivaldi天線[J].電波科學學報，2008， 23（3）：471-475.

作者簡介

闞麗云（1973-），女，內蒙古大學多媒體技術專業1998級碩士研究生。現就職于內蒙古自治區人力資源和社會保障信息中心。

作者單位

內蒙古自治區人力資源和社會保障信息中心 內蒙古自治區呼和浩特市 010055