8-18GHz的Vivaldi天線的分析與設計

范燁

（蘭州781廠研究所，甘肅 蘭州730070）

8-18GHz的Vivaldi天線的分析與設計

范燁

（蘭州781廠研究所，甘肅 蘭州730070）

本文設計了一種工作頻帶范圍為8-18GHz的高增益Vivaldi天線陣元。通過電磁仿真軟件HFSS V12.0對天線陣元的幾何結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化，計算了天線的駐波系數(shù)、增益方向圖等電性能參數(shù)。仿真結(jié)果表明該Vivaldi天線增益方向圖對稱性好，波束覆蓋范圍寬，增益高，可以很好地滿足作為寬頻帶寬角掃描陣列單元的要求。

Vivaldi天線，寬頻帶，高增益，寬波束

1 概述

超寬帶技術(shù)在1970年得到深入研究并在無線領(lǐng)域得到應用。20世紀80年代作了最廣泛的研究，隨著脈沖無線通信組成部分新的完善和對系統(tǒng)性能更好的理解，超寬帶通信技術(shù)進入到成熟階段，使超寬帶通信系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。

現(xiàn)代超寬帶系統(tǒng)對天線主要有四個要求［1］：（1）寬帶特性；（2）波束對稱；（3）天線單元要足夠小，否則天線在最高頻點方向圖會出現(xiàn)畸變；（4）天線單元能夠與印刷電路的收發(fā)模塊集成，用以實現(xiàn)波束電掃描。相對帶寬大于25%是超寬帶系統(tǒng)最大的特點。

以往傳統(tǒng)的雷達一般相對帶寬較小，已經(jīng)不能滿足日益增長的要求。寬帶、超寬帶、高穩(wěn)定則是新一代雷達的關(guān)鍵技術(shù)。超寬帶天線的類型有對數(shù)周期天線、螺旋天線、變形雙錐天線以及Vivaldi天線，而Vivaldi天線由于具有超寬頻帶特性。除此以外，Vivaldi天線還具有副瓣電平低、增益適中、波束寬度可調(diào)等優(yōu)點，無論單獨使用還是作為陣列單元都具有良好的性能。因此，研究Vivaldi天線對有源相控陣雷達的性能以及共形相控陣雷達的研制都具有非常重要的意義。

2 Vivaldi天線基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

Vivaldi天線的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，一般由印制電路技術(shù)制成，利用微帶線或帶狀線對陣元饋電作為陣元的一部分，每個Vivaldi天線都包含一個巴侖過度段。槽線部分由圓形槽線、矩形槽線和漸變槽線三部分組成。其中圓形槽線對帶狀傳輸線起到阻抗匹配作用；矩形槽線和帶狀傳輸線起到相互耦合傳輸電磁波的作用；漸變槽線對天線所輻射的電磁波起到引向作用。

與其他形式的漸變槽天線（TSA）類似，Vivaldi天線有兩種主要的輻射機制：1）行波機制；2）諧振機制。長度小于一個自由空間波長的Vivaldi天線，其輻射屬諧振式，通常這些天線增益較低，波束寬且伴有小的紋波［5］。

圖1 Vivaldi天線基本結(jié)構(gòu)示意圖

Vivaldi天線的工作帶寬主要決定于兩個轉(zhuǎn)換區(qū)域的帶寬特性，一個是饋電點處槽線和其他形式傳輸線之間的轉(zhuǎn)換，另一個是其開路終端到自由空間的轉(zhuǎn)換。陣元較長，通常可使低頻特性好且?guī)捿^寬，基片厚度約為單元寬度的1/10，陣元的指數(shù)張開率Ra和圓腔直徑Dsi對天線的性能影響大，要想獲得寬帶特性，這兩個轉(zhuǎn)換區(qū)都需實現(xiàn)理想的阻抗匹配。

3 高增益Vivaldi天線的設計與仿真

Vivaldi天線是一種非周期、漸變、端射行波天線，在不同工作頻率下，天線的電尺寸始終保持不變，并且在整個工作頻域內(nèi)，天線的輸入阻抗和輻射方向圖也是近似不發(fā)生改變的。Vivaldi天線的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段［1-3］：傳統(tǒng)Vivaldi天線；對拓Vivaldi天線；平衡Vivaldi天線。目前較常見的是對拓Vivaldi天線和平衡Vivaldi天線。

對拓Vivaldi天線采用的是微帶線饋電，這種結(jié)構(gòu)形式的天線最主要的缺點就是交叉極化電平較高。為了改善這個缺點，Langley等提出了一種帶狀線饋電的Vivaldi天線，它是在對拓Vivaldi天線的基礎(chǔ)上進行改進而形成的，如圖2所示。

圖2 平衡Vivaldi天線

本文設計了一個帶狀線方式饋電的平衡Vivaldi天線。與對拓Vivaldi天線進行比較可以發(fā)現(xiàn)，平衡Vivaldi天線在兩層介質(zhì)基片中間加入了一片與兩側(cè)金屬覆層對拓的薄金屬，它的主要作用是使天線內(nèi)部的電場方向達到平衡，即帶狀線在兩層介質(zhì)板之間饋電，而完全相同的兩個展開槽線被刻蝕在上下兩表面上。

平衡Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：帶狀線饋電部分，帶狀線到槽線的轉(zhuǎn)換部分和輻射部分。其中轉(zhuǎn)換部分是天線設計中最為重要的一個部分，由于天線在高頻時對不連續(xù)的結(jié)構(gòu)是非常敏感的，所以本文中天線所有的槽線都采用指數(shù)形式的曲線，目的是消除突然結(jié)束產(chǎn)生的散射。此外，轉(zhuǎn)換部分也充當了巴倫的作用，并且由于是漸變結(jié)構(gòu)，所以它本身的帶寬也很寬。

天線中指數(shù)形式的槽線可以通過開放指數(shù)R和兩個端點p1（x1，y1），p2（x2，y2）來確定：

天線的設計過程是半經(jīng)驗性的，為了得到一個性能優(yōu)良、工作頻率在8-18GHz之間的平衡Vivaldi天線，需要從兩個方面著手進行設計：一是帶狀線線到槽線的轉(zhuǎn)換部分；一是輻射區(qū)域。這兩部分的設計涉及到很多參數(shù)，在設計的時候需要借助仿真工具進行計算，不斷逼近理想結(jié)果。

將該天線模型采用ANSYS公司的電磁仿真軟件HFSS進行仿真。

注意圖中天線的放置，縫隙朝向Z軸正向，基板平面為YOZ面。天線采用介質(zhì)板的介電常數(shù)，單層介質(zhì)板的厚度為0.5mm。敷銅板的厚度0.03mm，本文最終所設計的天線尺寸為19mm×45mm×1.575mm。

圖3分別是天線在10GHz、14GHz和18GHz處的三維立體圖，可以看出天線的最大輻射方向基本都在其端射方向，始終指向z軸。表1是天線在10GHz、14GHz和18GHz處的增益大小，可以看出天線的增益隨著頻率的升高而增加。

表1 天線在不同頻率的增益大小

4 結(jié)論

本文從分析Vivaldi天線結(jié)構(gòu)出發(fā)，設計了一款可用于超寬帶系統(tǒng)的Vivaldi天線。該天線的阻抗帶寬是8-18GHz，并且天線的尺寸有了明顯的減小；天線的最大增益隨頻率變化而變化，基本規(guī)律是增大趨勢；天線在整個頻帶內(nèi)的方向性較好，只是在高頻18GHz方向圖稍有畸變。Vivaldi天線不僅具有超寬的頻帶外，并且結(jié)構(gòu)簡單、組陣方便，因此在超寬頻帶的移動通訊天線、雙極化天線和共形相控陣掃描天線等方面有著廣泛的應用前景。

［1］ 周明，張樹人，張浩斌.8～12GHz Vivaldi槽縫天線陣設計及綜合［J］.中國電子科學院學報，2010，5（4）：376-380.

［2］ 任波等.漸變槽線天線的參數(shù)分析與設計［J］.現(xiàn)代雷達，2010，32（11）：58-62

［3］ 劉密歌.Vivaldi寬頻帶微帶天線的設計與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，262（23）：95-96.

［4］ 張鋒.一種工作于0.5～2GHz的小型化Vivaldi天線［J］.微波學報，2010，26（6）：54-57

［5］ 趙捷.王巖飛.12～20GHz的TSA天線.電子與信息學報，第31（5）.

［6］ Schaubert D H，Chio T H，Holter H.TSA element design for 500-1500MHzarray［C］.IEEEAntennasandPropagationSo cietyInternationalSymposium，2000.178-181

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