应用于宽带相控阵天线的Vivaldi天线单元设计

王化宇，孙 竹，张继浩

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

应用于宽带相控阵天线的Vivaldi天线单元设计

王化宇，孙 竹，张继浩

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

为满足宽带相控阵天线宽带工作和宽角扫描的工程需求，设计了一种介质板带状线形式的Vivaldi天线。采用在天线谐振区域边缘加入金属隔离墙的方法，有效去除天线单元工作频段内的谐振。对3×8阵面中心位置的Vivaldi天线单元电气性能测试，实测结果表明：在3个倍频程带宽内实现VSWR＜1.8，E面3 dB波束宽度为低频95°、中频80°、高频40°，H面3 dB波束宽度为低频135°、中频78°、高频57°，天线增益为低频增益6.2 dB、中频增益7.7 dB、高频增益9.6 dB，试验结果满足设计要求。

超宽带；Vivaldi天线；相控阵

0 引言

宽带相控阵天线具有目标成像、多目标探测和抗干扰能力强等特点，在雷达和通信产品中有着广泛的应用。

提出了一款工作在某频段的介质带状线Vivald天线单元设计，该天线具有大工作带宽、加工成本低、波束宽和加工精度易于控制等优点，通常被应用于宽带相控阵天线。同时，Vivaldi天线阵列的相邻天线单元之间会形成强烈耦合，往往导致Vivaldi天线单元工作的某一频段出现谐振，使驻波和方向图急剧恶化。通过仿真分析天线表面电流分布，确定了电流谐振形成的区域，提出了采用在谐振区域边缘加入金属隔离墙的方法，成功去除带内谐振，相较文献［1］中描述的方法，有效减小了隔离墙使用范围，从而降低了天线的加工成本。通过实物加工测试，实测数据显示天线满足设计要求。

1 Vivaldi天线单元置于单列天线设计

Vivaldi天线的边缘为式（1）的指数曲线：

式中，x为天线的宽度；y为天线的高度；a、b为系数。

根据初步计算，可确定x、y、a、b参数的值，确定天线单元的尺寸，天线结构如图1所示。Vivaldi天线单元间存在强互耦［2－12］，相互影响剧烈，如先进行孤立天线单元设计，再扩展到整阵天线，由于忽略了单元间影响，往往难以满足设计指标。因此设计Vivaldi天线单元，一般先将天线单元组合成线阵，再把线阵扩展到面阵天线进行设计。由于在设计中考虑了单元间的互耦影响，可得到比较满意的设计结果。

图1 天线结构

根据天线单元的尺寸，可确定线阵尺寸以及馈线形式。天线线阵包括8个天线单元及馈线。用仿真软件对该线阵仿真计算，得到VSWR仿真结果如图2所示。

图2 阵列中心天线单元VSWR

由图2可知，阵中天线工作带宽满足设计要求，由于侧面单元天线互耦影响，须将天线单元置于面阵中进行进一步设计。

2 Vivaldi天线单元置于面阵天线设计

将Vivaldi天线单元置于单列天线计算，初步获得尺寸参数之后，再将Vivaldi天线线阵组成面阵天线进一步确定参数，面阵列天线阵面单元数量为3×8＝24，经过面阵仿真计算得到Vivaldi天线阵中心单元VSWR，计算结果如图3所示。

图3 面阵中心位置单元VSWR

从图3可见阵面中心位置的Vivaldi天线单元的VSWR带宽满足设计要求，但在频点fp附近VSWR＞2，这是因为和单列天线相比，面阵天线的电磁互耦环境发生变化，造成工作在阵面中心位置的Vivaldi天线单元的电特性出现变化。通过仿真软件分析阵列天线的电流分布情况，可以观察到处于面阵中心位置的馈电单元，周围的黑色方格线标示的“近似三角区域”里面，如图4所示，存在着明显的谐振，导致VSWR恶化。

图4 阵列中心单元的谐振区域（频点fp）

提出在谐振区域边缘使用金属隔离墙，改变谐振区域的边界条件如图5所示，以达到去除谐振的目的。具体实现的方法为配打密集的金属化孔用以形成金属墙。经过仿真对比无金属隔离墙的阵中天线单元的VSWR仿真结果，发现加入金属隔离墙之后工作频带内谐振消失，如图6所示，达到了设计要求。

图5 阵列加金属隔离墙结构

图6 有金属墙和无金属墙VSWR对比

提出的根据谐振区域的位置和面积大小使用金属隔离墙的方法，和文献［1］中使用的将天线边缘和馈线周围完全用金属化孔隔离墙的方法如图7所示。相比较，本文方法有效地较少了金属化孔的数量，使金属隔墙的区域变小，有效降低了天线的加工成本。

图7 文献［1］加入金属隔离墙的方式

3 Vivaldi阵列天线加工实测

根据仿真计算确定的尺寸，制版加工出Vivaldi阵列天线如图8所示，天线规模为3列、每列8个单元，阵列呈矩形排列，并对加工出的天线阵列进行测试，将测试数据和仿真计算数据进行比较。

图8 实物照片

从图9可以看出阵列中心位置的Vivaldi天线单元的实测VSWR在工作带宽内没有出现谐振尖峰，并且将测试数据和仿真计算数据进行比较，发现二者拟合良好，最终实现加工实物天线的VSWR＜1.8。图10和图11为选取阵列中心位置的Vivaldi天线单元在频点A和频点B的E面增益方向图，从图10中可以看出阵中单元在频点A的E面方向图和仿真计算数据在主瓣上拟合较好，但在副瓣上拟合较差。从图11中可以看出在频点B的E面增益方向图和仿真数据拟合良好。

图9 实测数据和仿真数据VSWR对比

图10 频点A、E面远场方向图对比

图11 频点B、E面远场方向图对比

实测E面和H面增益如图12和图13所示，图12和图13是整个工作频段的低频段、中频段和高频段的3个频点的2个正交面的增益方向图，最终测得数据如表1所示。

图12 E面增益

图13 H面增益

表1 实测阵列中心单元E面、H面波束宽度及增益

4 结束语

为满足宽带相控阵天线工作带宽和扫描范围的工程需求，本文详细介绍了一款应用于宽带相控阵天线的Vivaldi天线单元的设计过程。针对仿真计算过程中出现的天线单元VSWR谐振尖峰的问题，提出了沿着谐振区域的边缘加入金属隔离墙的方法，去除谐振。经过仿真计算和实物加工测试，最终得到符合工程要求的Vivaldi天线单元。本文描述的设计过程和去除谐振的设计方法可以为其他形式的宽带阵列天线单元设计提供参考。

［1］HOLTER H，CHIO T H，DANIEL H.Schaubert Experi-mental Re-sults of 144 Element Dual Polarized Endfire Tapered Slot Phased Arrays［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，48（11）：1 707－1 718.

［2］HOLTER H.Dual-Polarized Broad-band Array Antenna With BOR Ele-ments，MechanicalDesign and Mea-surements［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propa-gation，2007，55（2）：305－312.

［3］LEE J J，LIVINGSTON S，KOENIG R.A Low-Profile Wide-Band（5：1）Dual-Pol Array［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2003，2（1）：100－105.

［4］夏腾飞.基于互藕效应的宽带相控阵技术研究［D］.成都：电子科技大学，2006.

［5］王银行.改进型的对拓Vivaldi天线的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2010.

［6］徐 菡.宽带Vivaldi天线时频特性分析及周期阵列技术研究［D］.西安：西安电子科技大学工程，2013.

［7］毛贵海.一种宽频带微带阵列天线的设计［J］.无线电工程，2004，34（4）：33－35.

［8］李 萍，余嘉傲.印刷指数渐变Vivaldi天线研究［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2011，38（2）：194－195.

［9］王照峰，杨宏春，阮成礼.新型异面结构高功率Vivaldi天线［J］.微波学报，2009，25（3）：23－24.

［10］唐海波，刘 埇，孙厚军.一种电阻加载的侧馈对拓Vivaldi天线［J］.微波学报，2012（8）：153－156.

［11］徐 志，刘其中，章传芳，等.改进型Vivaldi天线［J］.微波学报，2008（6）：471－475.

［12］王 雄，阮成礼，江 瑛.超宽带异面Vivaldi接收天线的设计与研究［C］∥全国天线年会论文集（下），2009：1 360－1 363.

Design on Vivaldi Antenna in Wideband Phased Array Antenna System

WANG Hua-yu，SUN Zhu，ZHANG Ji-hao
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

In order to achieve high bandwidth and wide-angle scanning of wideband phased array antenna，a Vivaldi antenna is designed.The isolating wall composed of metallic is used，which can effectively eliminate the resonance in the working frequency range of antenna.The antenna array with 3×8 scale is fabricated.The electric characteristics of central antenna element are tested，and the results show that VSWR is less than 1.8 in threefold frequency range；the 3 dB beam width of E plane is 95 degree in low frequency range，80 degree in medium frequency range，40 degree in high frequency range，respectively；the 3 dB beam width of H plane is 135 degree in low frequency range，78 degree in medium frequency range，57 degree in high frequency range，respectively；the antenna gain can achieve 6.2 dB in low frequency range，7.7 dB in medium frequency range，9.6 dB in high frequency range，respectively.The experi-mental results meet the design requirements.

UWB；Vivaldi antenna；phased array

TN015

A

1003－3106（2015）10－0059－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.16

王化宇，孙 竹，张继浩.应用于宽带相控阵天线的Vivaldi天线单元设计［J］.无线电工程，2015，45（10）：59－62.

王化宇男，（1982—），硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

2015-07-05

孙 竹男，（1982—），博士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。