Vivaldi天线小型化及组阵研究

本文首先介绍了现在常用的一种天线即Vivaldi天线，分别研究了Vivaldi天线的优缺点。因其良好的辐射特性而被广泛使用，且具有结构不复杂易于制造等特点，更容易实现天线宽频宽带的目的。随后对Vivaldi天线的组阵技术作了研究，对组阵后的Vivaldi阵列进行分析。最后对Vivaldi天线的散射特性作简要介绍，说明了Vivaldi天线在实际生活中的广泛应用。

【关键词】Vivaldi天线 小型化 阵列 隐身

1 Vivaldi天线

1.1 Vivaldi天线原理简介

随着天线技术的快速发展，小型化、超宽带等特性越来越被天线设计研究者所重视。微带天线因其结构简单易于馈电、易于共形加工等特点而被广泛应用于微波通信的各个领域中。微带天线通常采用的一类微带天线即在一个薄介质基板（如聚四氟乙烯）上，一面涂层金属薄层作为接地板，另一面用蚀刻等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就是微带天线的简单结构。可以看出，微带天线结构简单易加工，方向性好，不管在民用还是军用中都有良好的发展前景。

而Vivaldi天线即属于微带天线，不但具有微带天线制造上的简易的优点，更具有超宽带的良好特性，使其在实际应用中表现出色，也开始被广泛关注和研究。Vivaldi天线在蚀刻面采用渐变槽式，蚀刻线为一种连续成比例的渐变曲线，而这部分渐变结构的缝隙即为天线的辐射单元。Vivaldi天线是一种线极化天线，辐射电场矢量方向与介质平面平行。通过已有的一些文献研究结果可以发现，对于Vivaldi天线，频带的最低频率与其开口的宽度有直接关系。Vivaldi天线在不同频率下，只有槽线宽度与波长接近的部分有有效辐射。随着工作频率的改变，辐射部分也随着变化，而这部分槽线的宽度与辐射波长直接成比例。可以看出，Vivaldi天线在体积较小且结构比较简单的前提下，实现了超宽带特性，而且由于加工简单，可以适用于大批量生产的情况，因此得到了快速的发展。

1.2 Vivaldi天线小型化研究

在Vivaldi天线设计中，馈电决定了高频频限，而孔径尺寸即槽线开口宽度决定了低频频限。因此，为了实现Vivaldi天线的超宽带特性，馈电部分的设计一定要合理。一般采用的馈电方法有同轴线馈电方法和微带馈电方法。通常采用微带馈电方法，微带线的终端即扇形结构，主要起终端负载匹配作用。

上面介绍了传统的Vivaldi天线，接下来介绍一种新型Vivaldi天线——对拓Vivaldi天线。传统的Vivaldi天线带宽受到微带线槽线过渡转换的限制，针对这一缺点，1988年Ehud Gazit学者提出了一种对拓型Vivaldi天线，解决这一困难，成为Vivaldi天线发展史上一个重大突破。对拓型Vivaldi天线将传统的Vivaldi天线中形成槽线的两块金属辐射贴片分别置于低介电常数材料基板的上下两个面上。基于这种对拓型Vivaldi天线而发展出的侧馈对拓型Vivaldi天线则在不影响天线辐射性能的前提下实现的小型化的要求。侧馈对拓型Vivaldi天线，顾名思义，即从侧面用微带线对天线进行馈电，有效利用对拓型Vivaldi天线原有的辐射贴片已经占有的面积，减少了从微带馈线到槽线的过渡面积，这样做达到天线小型化的目的。但是由于电场与低介电常数材料基板存在倾角，会导致天线较差极化较差。除此之外还有其他实现Vivaldi天线小型化的方法，如在2005年，Kayani学者提出的一种单面设计采用微带线到槽线耦合到集成Vivaldi天线同样实现了Vivaldi天线小型化的目的，可以看出，Vivaldi天线小型化正逐渐成为研究的重点目标。

2 Vivaldi天线阵列研究

单个天线无法满足某些特殊的要求比如实现波束扫描覆盖大范围空域等。根据电磁波空间干涉理论，把多个单元天线按照一定规律排列形成天线阵列，并对每个单元天线进行适当激励，即可满足上述单个天线无法满足的一些要求。不论是民用等移动通讯系统还是军用的雷达火炮扫描等，都采用的是阵列天线技术。

同样，将Vivaldi天线组阵后，可以实现波束集中，提高天线方向性和增益，实现相控扫描等。前面提到过，Vivaldi天线在实现了小型化、超宽带等目标的同时，交叉极化较差，为了解决这一问题，有学者通过对对拓型Vivaldi天线进行不同排阵方式达到改善交叉极化的目的。而这一思路是根据一种平衡Vivaldi天线的原理来设计的。平衡Vivaldi天线即在对拓型Vivaldi天线的基础上增加了一层金属对称层电路，这样就使得电场从低介电常数基板中间金属涂覆层馈入，由中间金属层分别指向外侧两层金属层，这种结构可以有效降低Vivaldi天线的交叉极化电平。

3 Vivaldi天线散射研究

在军用隐身飞行器设计中，天线舱作为三大强散射源之一，一直是设计时的重点研究目标。而天线的隐身性能同样重要。Vivaldi天线由于易共形及具有较低的RCS（雷达散射截面积）成为隐身飞行器常用的选择。由于敏感性问题，目前对这类天线的RCS减缩研究相关文献较少，但是对其他天线的RCS缩减技术研究有很多，包括开槽、阻抗加载技术等，同样也可以用于Vivaldi天线，达到天线RCS缩减的目的，提高天线隐身性能。

4 总结

本文通过对Vivaldi天线的研究可以发现，Vivaldi具有超宽带，易于小型化，结构简单易加工易共形等特点，可广泛用于民用军用的各个层面。

参考文献

[1]李晋阳.基于加载方法的小型化Vivaldi天线研究[D].西安电子科技大学，2010.

[2]徐志，刘其中，章传芳，等.改进型Vivaldi天线[J].电波科学学报，2008， 23（3）：471-475.

作者简介

阚丽云（1973-），女，内蒙古大学多媒体技术专业1998级硕士研究生。现就职于内蒙古自治区人力资源和社会保障信息中心。

作者单位

内蒙古自治区人力资源和社会保障信息中心 内蒙古自治区呼和浩特市 010055