超宽带全金属Vivaldi天线的设计

陈　金，胡明春，2，张金平,2，李小秋,2

(1. 南京电子技术研究所，　南京 210039)

(2. 天线与微波技术国防科技重点实验室，　南京 210039)



超宽带全金属Vivaldi天线的设计

陈金1，胡明春1，2，张金平1,2，李小秋1,2

(1. 南京电子技术研究所，南京 210039)

(2. 天线与微波技术国防科技重点实验室，南京 210039)

摘要：设计了一种全金属的Vivaldi天线，当频率为3~17 GHz时，其VSWR<2，在宽边扫描情况下，VSWR小于2.0的带宽能达到11 GHz。它不仅具有频带宽、方向性好等特点；同时，它还能解决传统Vivaldi天线制作工艺复杂、制作成本高、物理强度低等问题，能更好地应用于高功率雷达等领域。文中利用高频结构仿真软件HFSS对设计天线的几何尺寸进行了优化，并进行了仿真与分析，通过计算天线的驻波比、方向图、增益等性能验证了天线的超宽带、宽边扫描的特性。

关键词：超宽带；全金属；Vivaldi天线；HFSS软件

0引言

Vivaldi天线是一种应用日益广泛的超宽带天线，文献[1]于1979年提出的一种按指数规律渐变的槽线天线，具有很宽的频带、高的增益以及良好的时域特性[2]等优点，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线，由它组成的单极化和双极化阵列能够用于宽带天线阵列或宽频带扫描角的相控阵中[2-3]。近年来，Vivaldi天线一直受到国内外学者的热点研究。

Vivaldi天线采用平面印刷结构，介质基板两侧分别贴有渐变结构的金属薄片，物理强度较低，它的馈电结构比较复杂，整体制作加工成本较高；其次，Vivaldi天线工作于高频段(5 GHz以上)时，微带线或带状线馈电结构的特性阻抗容易随频率的变化而发生改变，产生色散现象[4]，从而影响天线的性能。本文在传统Vivaldi天线的基础上，设计出一款全金属的Vivaldi天线，它能够很好地解决上述问题；采用结构简单的同轴馈电结构，能够解除传统Vivaldi天线在多功能阵列以

及高功率雷达等领域应用的限制[5]；同时，天线金属厚度的增加，使得天线在工作带宽的高频率段不容易出现扫描异常的情况[5-6]。

1全金属Vivaldi天线

1.1Vivaldi天线的机理

Vivaldi天线是一种指数渐变超宽带天线，辐射部分形状由如下的指数渐变函数决定[2]，(x1,z1)和(x2,z2)为渐变槽线的起点和终点，R为渐变率

z=±(c1eRx+c2)

(1)

(2)

(3)

对于渐变槽线天线辐射特性的理论分析，一般采用阶梯近似法，将渐变槽缝近似为很多短的均匀缝隙级联，如图1所示。利用传输线理论求得各段缝隙切向电场的相对分布；然后，根据等效性原理，得到缝隙

中的等效磁流分布，再利用导体半平面上磁流元辐射的并矢格林函数，通过积分求取缝隙的辐射外场。

图1　槽线阶梯近似示意图

均匀槽线的横向电场[7]

(4)

依据式(4)容易得到第i段短缝隙的切向电场[7-8]

(5)

又由导体半平面上双边激励缝隙辐射的并矢格林函数得到[7-8]

F[(kx′(sinθ+sinθcosφ)]ejk0x′sinθcosφ+

(6)

式中：F(·)为菲涅耳积分。

结合式(5)和式(6)可得到第i段短槽缝的远区电场表达式[2,7]

(7)

通过将N段短槽缝的远场表达式叠加，即可得到渐变槽缝天线的辐射场。

1.2全金属Vivaldi天线的结构模型

图2和图3为全金属Vivaldi天线结构模型的侧面示意图和三维示意图,该天线可以划分为三个区域：馈电区、传输区和辐射区。其中，馈电部分位于天线底部，采用结构简单的同轴馈电结构，如图2虚线部分所示，同轴线直径为d3；传输区是一段连接辐射区和馈电区的弯曲槽线，其末端连接谐振腔；辐射区由呈指数渐变的金属槽构成，它和另外两部分共同构成天线。

图2　Vivaldi天线模型侧面示意图

图3　Vivaldi天线模型三维示意图

设计的全金属天线在排阵时，相邻的阵列单元之间可以紧密的排列，在加工制作时，只需将金属板加工成如图4所示的形状,然后将多个这样的单元紧密排成阵列，固定在金属底板上即可，整个设计高度模块化，阵列能够很方便的重构和拆卸，整个加工工艺非常简单。

图4　加工模型

2天线的仿真分析

2.1模型参数的确定

一般来说，工作的低频段波长与槽线最大宽度对应，而工作的最高频率则受到槽线窄段宽度的限制。在实际设计中，由于各尺寸参数对天线性能的影响是相关的，这里槽线宽端取天线工作低频对应波长的1/10，而槽线窄线取工作高频对应波长的1/8，槽线长度取中心频率对应的波长。由于天线扫描角度会受到栅瓣等因素的影响，在不出现栅瓣的条件下，阵列单元间距d和扫描角度θ存在以下关系

(8)

依据上述条件初步设定天线的参数，利用HFSS软件建立天线模型，对该天线单元设置周期边界条件，在不扫描情况下对天线的参数进行优化，最终确定天线的尺寸。天线各部分的几何尺寸及阵列单元的间距如图2和图3所示，厚度h1为2.5，渐变指数取0.6；a=2.8，b=6.2，d1=9.2，d2=2.3，d3=2.8，d4=1.0，d5=1.95，e=15.0，f=45.0，g=8.6，h=2.0，i=0.65，l2=4.55，o=1.5。d6=d7=9.2。图5和图6分别给出了参数优化后部分参数波动对天线带宽影响的仿真结果。

图5　槽线尺寸参数的波动对驻波比的影响

图6　谐振腔参数的波动对驻波比的影响

由上图可知，参数的波动对天线性能影响较小，易于加工制造。

2.2天线的驻波比

天线的电压驻波比反映了天线的阻抗特性，也将决定天线的阻抗带宽。图7给出了天线的驻波比在不同扫描角度情况下随频率变化的仿真结果。从图中可以看出，在不扫描(θ=0°)情况下，满足VSWR<2的频率范围为3~17 GHz；当扫描角达45°(θ=45°)时，天线在4~16 GHz，频率范围VSWR<2。可见，该天线能够实现超宽带、宽边扫描特性。

图7　驻波比随频率的变化曲线

2.3方向图

为了验证天线单元及阵列的性能，这里分别给出了该天线单元及由该单元组成的32×32矩形阵列的方向图，阵列单元之间横向间距和纵向间距均设为9.2 mm，图8给出了该阵列的局部示意图。

图8　天线阵列局部示意图

图9和图10给出了天线及阵列工作在3GHz、10 GHz、17 GHz的方向图。由图9可以看出，天线单元在各频点E面和H面的波束宽度非常相近且非常宽。可见，该天线具有宽波束特性，随频率的一致性较好。天线的交叉极化随着频率的增高呈下降的趋势，在高频点17 GHz，其交叉极化仍小于-40 dB，即在整个频带内，天线具有低的交叉极化。图10说明了阵列在大角度扫描情况下具有较好的定向性，验证了该天线的超宽带、宽边扫描的特性。

图9　天线单元在不同频率下方向图

图10　阵列在不同频率下45°扫描方向图

2.4增益

图11给出了由该天线单元构成的32×32阵列在不同扫描角度(θ=0°、15°、30°、45°，φ=0°)情况下增益随频率变化的关系。从图中可以看出，在3 GHz~17 GHz频率范围内，各增益曲线基本相似；扫描角度不同，增益值稍微有所不同：角度越大，增益值在整个频段内均有所减小。在17 GHz频率点处，增益取得最大值35 dB。

图11　天线增益

3结束语

本文设计了一种全金属Vivaldi天线，它能够克服传统Vivaldi天线结构复杂、物理强度低、制作成本高等问题。结果表明该天线能够在频率范围3~17 GHz内实现驻波比VSWR<2，在宽边扫描情况下，天线的阻抗带宽依然很宽，且具有低的交叉极化，天线的方向性较好；同时，该天线结构简单，参数波动对天线性能影响较小，易于加工制造。

参 考 文 献

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陈金男，1988年生，硕士研究生。研究方向为相控阵雷达天线。

胡明春男，1963年生，研究员级高级工程师。研究方向为相控阵天线技术、天线CAD/CAT。

张金平男，1982年生，高级工程师。研究方向为相控阵雷达技术。

Design of an Ultra-wideband All-metal Vivaldi Antenna

CHEN Jin1，HU Mingchun1,2，ZHANG Jinping1,2，LI Xiaoqiu1,2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory,Nanjing 210039, China)

Abstract：An all-metal Vivalidi antenna operating at the bandwidth of 3~17 GHz is proposed and its VSWR is less than 2 over the UWR band. The bandwidth can be up to 11 GHz in the case of broadside scan. The traditional Vivaldi antenna has the problems of high cost、low physical strength and complex structure, this all-metal Vivaldi antenna can solve those problems and this design is ideal for high-power applications. By using high frequency structure simulation software HFSS, the structure is optimized, simulations and analysis are presented for the all-metal Vivaldi array element in single polarization configuration, by computing the VSWR, radiation pattern and the gain, we can see its characteristics of ultra-wideband and broadside scan.

Key words：ultra-wideband; all-metal; Vivaldi antenna; HFSS

DOI：·天馈伺系统· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.014

收稿日期：2015-07-22

修订日期：2015-09-20

通信作者：陈金Email：chenjin@126.com

中图分类号：TN957.7

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0061-04