Vivaldi天線小型化及組陣研究

本文首先介紹了現(xiàn)在常用的一種天線即Vivaldi天線，分別研究了Vivaldi天線的優(yōu)缺點(diǎn)。因其良好的輻射特性而被廣泛使用，且具有結(jié)構(gòu)不復(fù)雜易于制造等特點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)天線寬頻寬帶的目的。隨后對(duì)Vivaldi天線的組陣技術(shù)作了研究，對(duì)組陣后的Vivaldi陣列進(jìn)行分析。最后對(duì)Vivaldi天線的散射特性作簡(jiǎn)要介紹，說(shuō)明了Vivaldi天線在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Vivaldi天線 小型化 陣列 隱身

1 Vivaldi天線

1.1 Vivaldi天線原理簡(jiǎn)介

隨著天線技術(shù)的快速發(fā)展，小型化、超寬帶等特性越來(lái)越被天線設(shè)計(jì)研究者所重視。微帶天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于饋電、易于共形加工等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于微波通信的各個(gè)領(lǐng)域中。微帶天線通常采用的一類微帶天線即在一個(gè)薄介質(zhì)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(duì)貼片饋電，這就是微帶天線的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯炀€結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工，方向性好，不管在民用還是軍用中都有良好的發(fā)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(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)，更具有超寬帶的良好特性，使其在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，也開始被廣泛關(guān)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(xù)成比例的漸變曲線，而這部分漸變結(jié)構(gòu)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(chǎng)矢量方向與介質(zhì)平面平行。通過(guò)已有的一些文獻(xiàn)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Vivaldi天線，頻帶的最低頻率與其開口的寬度有直接關(guān)系。Vivaldi天線在不同頻率下，只有槽線寬度與波長(zhǎng)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(zhǎng)直接成比例。可以看出，Vivaldi天線在體積較小且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的前提下，實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性，而且由于加工簡(jiǎn)單，可以適用于大批量生產(chǎn)的情況，因此得到了快速的發(fā)展。

1.2 Vivaldi天線小型化研究

在Vivaldi天線設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)Vivaldi天線的超寬帶特性，饋電部分的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，主要起終端負(fù)載匹配作用。

上面介紹了傳統(tǒng)的Vivaldi天線，接下來(lái)介紹一種新型Vivaldi天線——對(duì)拓Vivaldi天線。傳統(tǒng)的Vivaldi天線帶寬受到微帶線槽線過(guò)渡轉(zhuǎn)換的限制，針對(duì)這一缺點(diǎn)，1988年Ehud Gazit學(xué)者提出了一種對(duì)拓型Vivaldi天線，解決這一困難，成為Vivaldi天線發(fā)展史上一個(gè)重大突破。對(duì)拓型Vivaldi天線將傳統(tǒng)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(shù)材料基板的上下兩個(gè)面上?；谶@種對(duì)拓型Vivaldi天線而發(fā)展出的側(cè)饋對(duì)拓型Vivaldi天線則在不影響天線輻射性能的前提下實(shí)現(xiàn)的小型化的要求。側(cè)饋對(duì)拓型Vivaldi天線，顧名思義，即從側(cè)面用微帶線對(duì)天線進(jìn)行饋電，有效利用對(duì)拓型Vivaldi天線原有的輻射貼片已經(jīng)占有的面積，減少了從微帶饋線到槽線的過(guò)渡面積，這樣做達(dá)到天線小型化的目的。但是由于電場(chǎng)與低介電常數(shù)材料基板存在傾角，會(huì)導(dǎo)致天線較差極化較差。除此之外還有其他實(shí)現(xiàn)Vivaldi天線小型化的方法，如在2005年，Kayani學(xué)者提出的一種單面設(shè)計(jì)采用微帶線到槽線耦合到集成Vivaldi天線同樣實(shí)現(xiàn)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(diǎn)目標(biāo)。

2 Vivaldi天線陣列研究

單個(gè)天線無(wú)法滿足某些特殊的要求比如實(shí)現(xiàn)波束掃描覆蓋大范圍空域等。根據(jù)電磁波空間干涉理論，把多個(gè)單元天線按照一定規(guī)律排列形成天線陣列，并對(duì)每個(gè)單元天線進(jìn)行適當(dāng)激勵(lì)，即可滿足上述單個(gè)天線無(wú)法滿足的一些要求。不論是民用等移動(dòng)通訊系統(tǒng)還是軍用的雷達(dá)火炮掃描等，都采用的是陣列天線技術(shù)。

同樣，將Vivaldi天線組陣后，可以實(shí)現(xiàn)波束集中，提高天線方向性和增益，實(shí)現(xiàn)相控掃描等。前面提到過(guò)，Vivaldi天線在實(shí)現(xiàn)了小型化、超寬帶等目標(biāo)的同時(shí)，交叉極化較差，為了解決這一問(wèn)題，有學(xué)者通過(guò)對(duì)對(duì)拓型Vivaldi天線進(jìn)行不同排陣方式達(dá)到改善交叉極化的目的。而這一思路是根據(jù)一種平衡Vivaldi天線的原理來(lái)設(shè)計(jì)的。平衡Vivaldi天線即在對(duì)拓型Vivaldi天線的基礎(chǔ)上增加了一層金屬對(duì)稱層電路，這樣就使得電場(chǎng)從低介電常數(shù)基板中間金屬涂覆層饋入，由中間金屬層分別指向外側(cè)兩層金屬層，這種結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中，天線艙作為三大強(qiáng)散射源之一，一直是設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)研究目標(biāo)。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(dá)散射截面積）成為隱身飛行器常用的選擇。由于敏感性問(wèn)題，目前對(duì)這類天線的RCS減縮研究相關(guān)文獻(xiàn)較少，但是對(duì)其他天線的RCS縮減技術(shù)研究有很多，包括開槽、阻抗加載技術(shù)等，同樣也可以用于Vivaldi天線，達(dá)到天線RCS縮減的目的，提高天線隱身性能。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)Vivaldi天線的研究可以發(fā)現(xiàn)，Vivaldi具有超寬帶，易于小型化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工易共形等特點(diǎn)，可廣泛用于民用軍用的各個(gè)層面。

參考文獻(xiàn)

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

[2]徐志，劉其中，章傳芳，等.改進(jìn)型Vivaldi天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008， 23（3）：471-475.

作者簡(jiǎn)介

闞麗云（1973-），女，內(nèi)蒙古大學(xué)多媒體技術(shù)專業(yè)1998級(jí)碩士研究生?，F(xiàn)就職于內(nèi)蒙古自治區(qū)人力資源和社會(huì)保障信息中心。

作者單位

內(nèi)蒙古自治區(qū)人力資源和社會(huì)保障信息中心 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010055