超宽带Vivaldi天线的设计及分析

王府生，刘淑芳，李慧敏，张静雅，史小卫

(西安电子科技大学 天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071)

0 引言

Vivaldi天线是GIBSON于1979年提出的一种指数渐变槽线天线，作为一种超宽带行波缝隙天线，其逐渐变宽形成喇叭口形状的缝隙结构是辐射或接收能量的主体[1]。由于在不同的频率上，槽线不同部分发射或接收电磁波，因此Vivaldi天线具有端射、工作频带较宽、增益较高、方向图波束对称等特点[2]。此外，它具有剖面低、质量轻、易于制作、便于共形、便于和微波电路集成等优点，在微波和毫米波波段具有广泛的应用[3]。

近年来国内外对Vivaldi天线的研究很多，但总体来说对于同时实现超宽带、低剖面、稳定高增益的文献还很少。例如：陈文星等[4]在平衡对跖Vivaldi天线的基础上，对天线开不对称半椭圆槽的方法克服方向图不对称的问题；DE OLIVEIRA A等[5]通过将槽线形状改变为利用傅里叶级数设计不规则曲线，虽然具有2.1～9.2 GHz的阻抗带宽，但其在4.5～6.5 GHz频段内增益较低，增益不平稳；AUN R G等[6]提出一种棕榈树状指数槽边改进的Vivaldi天线，扩展了低频段的带宽限制，提高了主瓣增益，但设计结构较为复杂。

由于机载、弹载等平台的空间有限，希望用一副天线实现雷达、通信和电子对抗等多种功能，这就需要天线具有低剖面、超宽带等特点[7-10]。本文在分析常规型Vivaldi天线的基础上，设计改进了1副频带为2～18 GHz的双指数渐变Vivaldi天线，天线采用双指数渐变结构，目的是消除开口突然结束产生的散射，从而获得较宽的带宽。与常见对跖Vivaldi天线和平衡Vivaldi天线的2个辐射贴片分别置于介质基板的上下2个表面不同，本文将Vivaldi天线的2个辐射贴片置于介质基板的同一表面，与传统Vivaldi天线相比具有剖面低，结构简单，容易加工的优点。同时不存在E面方向图不对称的问题，性能较优越。

1 天线结构

本文设计的微带线-槽线馈电形式的Vivaldi天线，主要由天线、阻抗变换器、巴伦和金属微带线4部分组成，是对常规Vivaldi天线的一种改进。

为取材方便，选用介质基板为厚度0.8 mm的 Arlon Tc350材料(相对介电常数=3.5，介质损耗角正切=0.002)。

Vivaldi天线结构如图1所示。长度为a，宽度为b，厚度为h的介质板上表面由天线贴片，矩形共面带线阻抗变换器和超宽带巴伦3部分组成。其中天线贴片的双指数渐变形对称结构由起始点P1(x1,y1)，终点P2(x2,y2)和槽线渐变率R共同决定，渐变槽线上下开口宽度分别为L上=2(y2-y1)+D6，L下=D6，槽线的长度C=(x2-x1)。共面带线阻抗变换器为图1中长度为L3，宽度为D5的矩形。巴伦结构包括上底为2D4+D6，下底为D1，高为L1的梯形和2个长度为L2，宽度为D4的矩形组成。介质板下表面为上底为D3，下底为D2，长度小于最低频率1/4波长的金属微带渐变线。

微带馈线通过介质板的金属通孔与上表面巴伦结构上宽为L4的微小缝隙共同调节传输到共面带线上，同时实现微带线与共面带线的宽带阻抗匹配[11]。

根据微带传输线及槽线理论，给出计算Vivaldi天线结构基本参数的分析过程与详细步骤[12]。

由于微带线要与同轴线匹配，因此选定微带线特性阻抗Z=50 Ω，然后确定微带渐变线初始宽度；有如下公式

q=2πud/λ0+arctan(u/v)

(1)

(2)

(3)

图1 Vivaldi天线结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Vivaldi antenna

式中：d为介质基板厚度；εr为有效介电常数；λ0为自由空间波长；λs为槽线内介质波长。则耦合因子为

N=cos(2πud/λ0)-cot(q)sin(2πud/λ0)

(4)

微带线特性阻抗Z与槽线特性阻抗Zt之间的关系为

Z=N2Zt

(5)

从而可以得到槽线特性阻抗Zt，再由下式可求得槽线宽度w。

lnεr)](w/d)ln(100d/λ0)+131.1(1.028-

(6)

天线开口宽度分别由所设计的工作频段的高、低截止频率决定。通常取开口最宽处为低频截止频率所对应介质波长的1.3倍左右，最窄处宽度为高频截止频率所对应工作波长的2%左右[13]。从而确定Vivaldi天线渐变槽线的上下开口宽度。

根据天线渐变槽线的上下开口宽度和槽线长度确定指数渐变槽线起始点P1(x1,y1)和终止点P2(x2,y2)，然后通过Vivaldi天线指数线模型公式确定双指数方程。

Vivaldi天线指数线模型公式[11]为

y=±(c1eRx+c2)

(7)

通过以上步骤即可初步计算出超宽带Vivaldi天线的基本参数。本文所设计的双指数渐变天线的渐变线由两部分组成。

1) 内部渐变线取值为：R=0.1,x1=0,y1=0.1,x2=55,y2=50.1。

2) 外部渐变线取值为：R=0.5,x1=0,y1=1.73,x2=15,y2=50.1。

代入式(7)中即可得出内侧指数渐变线方程与外侧指数渐变线方程。最后利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对所设计的Vivaldi天线各参数进行设计优化，优化后天线的结构关键参数见表1。

表1 天线单元相关参数

2 天线仿真结果与分析

利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对所设计的Vivaldi天线进行仿真。

2.1 天线S11参数仿真结果

内指数渐变率R不同时天线的S11参数如图2所示。天线的S11参数与R有关，R减小时，可以改善整个频段内特别是低频端的回波损耗。

图2 内指数渐变率R不同时天线的S11参数Fig.2 Antenna parameter S11 changing with R

2.2 天线增益仿真结果

R不同时的天线的增益如图3所示。随着R的增大，同一频率下天线的增益减小，特别是在低频至中心频率范围内这一趋势表现更为明显。

图3 内指数渐变率R不同时的天线增益Fig.3 Antenna gain changing with R

对小型Vivaldi天线而言，R的取值会直接影响天线输入端口的回波损耗和天线的增益。综合不同R时的天线的S11参数和增益，本文取R=0.1。

槽线内波导波长比自由空间波长小，因此槽线的能量聚集在槽线的附近。大量实验证明，槽线传输线的基本传输模式是“准TEM模”，而不是TEM模[14-16]。Vivaldi天线贴片表面电流分布如图4所示，辐射单元上的电流主要分布在渐变槽线附近。

3 天线测试结果与分析

3.1 天线实物制作

根据仿真数据确定天线尺寸大小，并实际加工制作了双指数渐变槽线天线实物，如图5所示。

图5 Vivaldi天线加工实物图Fig.5 Physical drawing of Vivaldi antenna

同时利用矢量网络分析仪Agilent MS46322 A 在2～18 GHz频带内对所加工天线的S11参数进行了测量，结果如图6所示。

图6 Vivaldi天线S11参数仿真与测量结果对比Fig.6 Comparison of Vivaldi antenna parameter S11 simulation and measurement results

从图6可看出，该天线实际测量的S11参数在低频4～6 GHz内存在一定差异，除此之外在全频带内的变化趋势与仿真结果基本一致，在2～18 GHz全频段内仿真与测量的S11参数都优于-10 dB。出现这种情况的原因是：在低频端，天线匹配较差，不能进行有效辐射；在高频端，天线上的电流沿天线衰减较为迅速，辐射性能好。

3.2 天线方向图测试结果

为了验证小型化超宽带Vivaldi天线的辐射性能，对所设计加工的Vivaldi天线的方向图和增益进行了测试。并与仿真结果进行对比，本文给出5个典型频点远场方向图的仿真与测试结果，如图7所示。

图7 Vivaldi天线仿真与测试归一化方向图对比Fig.7 Comparison of Vivaldi antenna simulation and test normalized directional pattern

从图7可看出，实测和仿真的方向图存在细微差异。这是由于天线加工误差、安装误差及测试环境不理想等原因引起的。同时由于天线加工精度的原因，天线实物与仿真模型在指数渐变最窄处不能很好地吻合，会直接影响到高频段的辐射性能。天线在高频段会引起高次模激励，因此，图7(e)中出现较多旁瓣。但总体来说，整个工作频段内天线方向图的测试与仿真结果基本一致，且天线端射特性良好。

3.3 天线增益测试结果

Vivaldi天线增益仿真与测量结果对比如图8所示。在整个工作频段内Vivaldi天线的增益随着频率增高而增加，且最高可达10.5 dB。天线在整个频段内主辐射方向增益的实测和仿真结果基本一致。

图8 Vivaldi天线增益仿真与测量结果对比Fig.8 Comparison of Vivaldi antenna gain simulation and measurement results

4 腔体对超宽带Vivaldi天线影响

在实际应用中，为了符合载体的性能与美观要求，天线往往置于金属皮层内，这就需要对位于金属腔体内的天线实际辐射情况进行研究。

置于腔体内的超宽带Vivaldi天线仿真如图9所示。将所设计的Vivaldi天线放置于一无盖金属腔体内，其中Ground_z为腔体底面至天线的距离，Ground_x为沿X轴即天线最大辐射方向上腔体侧面至天线的距离。

图9 置于腔体内的超宽带Vivaldi天线仿真图Fig.9 Ultra-wideband Vivaldi antenna placed in cavity

4.1 腔体尺寸对参数S11的影响

以参数S11的仿真结果为参考，对所设置的变量进行参数扫描分析，得出金属腔体的最佳尺寸。

对变量Ground_x和Ground_z进行参数扫描，其S11的仿真结果如图10、11所示。由图10可见，当Ground_x=62 mm时，即沿天线最大辐射方向上腔体侧面至天线的距离为62 mm时，天线的S11仿真结果较好，在2～18 GHz全频段内均优于-10 dB。由图11可见，当Ground_z=42 mm时，即腔体底面至天线的距离为42 mm时，天线的S11仿真结果较好，在2～18 GHz全频段内均优于-10 dB。

通过优化最终确定腔体底面至天线的距离为42 mm，沿天线最大辐射方向上，腔体侧面至天线的距离为62 mm。最终参数S11的仿真结果如图12所示。

4.2 腔体对天线单元的影响

采用上述腔体结构参数，仿真分析腔体对天线方向图的影响，3个典型频点处的3D方向图如图13所示。为便于比较，同时给出了未放置于腔体前的方向图。

图10 S11随Ground_x的变化Fig.10 S11 changing with Ground_x

图11 腔体底面至天线的不同距离Ground_z所对应的S11Fig.11 Corresponding S11of Ground_z(distance from the bottom of the cavity to the antenna)

图13 不同频点处的三维方向图对比Fig.13 Comparison of three-dimensional patterns at different frequencies before and after Vivaldi antenna is placed in the cavity

通过对比天线单元放置于腔体内前、后在典型频点处的三维方向图，可看出将天线单元放置于金属腔体后，最大辐射方向发生了一定程度的偏转，特别在低频2 GHz时，偏转较为明显。但随着频率增高，偏转变得不明显，这是由于腔体的金属面存在一定程度的反射所致。

5 结束语

本文在分析传统型Vivaldi天线的基础上，改进设计了一种2～18 GHz的双指数渐变结构Vivaldi天线，并完成对天线的实物加工与测试。实测结果表明：该天线在工作频段内的回波损耗优于-10 dB，增益最高可达到10.5 dB。与传统Vivaldi天线相比，改进后天线具有超宽带、增益高且平稳、方向图对称，以及结构简单等特点。并通过将天线单元放置于金属腔体内来模拟实际应用环境，仿真表明：低频端辐射方向相对于原来的辐射方向会发生一定偏转，但随着频率增高，方向图偏转角度明显减小甚至不发生偏转，天线单元依然具有良好的端射特性，可广泛应用于对带宽和增益有严格要求的高频段导弹、雷达系统以及微波探测等军用、民用领域。

在实际应用中，考虑到尺寸限制、加工成本等因素，今后的研究过程中在保证天线具有较好辐射特性的前提下，尽可能做到小型化、低交叉极化。同时可将设计的高增益Vivaldi天线单元组成阵列，研究和分析其各方面指标特性。

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