超宽带vivaldi天线单元设计(一)

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冉春霖，冯祺元，邓祖鑫，廖宇翔 ¹ (1. 电子科技大学清水河校区，611731)

一、概述

（一）Vivaldi天线

1979年， Gibsort 在The Vivadi serial中正式提出了Vivaldi天线。作为一种超宽带印刷缝隙天线， Vivaldi天线与它的前身线性锥形缝隙天线（ linearly tapered slot antenna LTSA)）不同，它的锥形缝隙是两条对称的非线性的指数渐进函数。这种独特的结构使得它的有效的辐射区域会随着频率而发生变化，具有很宽的阻抗带宽；同时也使得它成为了第一种兼具可观增益和低旁瓣的端射天线。
Vivaldi天线的特殊性能使得它自诞生之日起就颇受关注，经过多年的发展更是演变出了多种新型结构。但总的来说，目前主流的Vivaldi天线主要还是传统Vivaldi天线、对踵Vivaldi天线、平衡对踵Vivaldi天线这三种。
传统的Vivaldi天线将金属贴片覆盖在介质基板的两侧，一侧贴片用来开槽线，而天线的另一面用来构成接地板。天线的加工工艺简单便于制作。对于该种天线的性能参数，天线的开放曲线的类型对于天线的影响很大。同时，根据天线槽线的类型不同，天线又可以细致的分为三类：如果天线的槽线为渐变指数槽线，那么该种天线就称作指数锥削槽天线；此外还有恒宽槽线天线，线性渐变槽线天线。
对踵Vivaldi天线的结构由传统的单层贴片结构转变为双层相对的贴片结构，馈电方式也转变为微带线向平行双线过渡的方式。该种结构的Vivaldi天线有效地利用了介质板的空间，改善了阻抗匹配。

平衡对踵Vivaldi天线在对踵天线的基础上添加一层介质板和金属覆层，通过添加一层覆层的方式矫正了天线在高频处的电场方向，改善了高频处的交叉极化。但是此天线的加工方式较为复杂。
超宽带天线是超宽带通信核心技术，超宽带通信具有以下优点：

传输速率高。采用持续时间非常短的窄脉冲信号来进行数据传递是它相比较于传统技术最大的区别。一般在保持其带宽宽度高达几个GHz的情况下，它的每个脉冲的持续时间却短到只有几皮秒到几纳秒，同时能实现几百Mbit/s的数据传输速率，这个数据是其他通信系统很难实现的。
发射功率低。它的发射功率在短距离通信设备中一般都低于1mW，在相同频带的窄带设备中，这使得其不但保持了良好的兼容，同时也具有良好的信号隐蔽性，保密性高，不易被捕获，更能运用于便携设各中。
穿透能力强。通过实践证实，超宽带信号穿透障碍物的能力很强，可在野外进行精确的定位，而超短波则不能在丛林等复杂环境条件下有效工作，而它在这方面的优势是超短波无法比拟的。同时，在医学上，也能够进行透过表皮组织进行微波成像，已成功运用到乳腺癌等的检测中。
能够多功能一体化。借助冲击化冲信号的强大的穿透能为我们可实现精确地测距和定位，运用到无线通信系统中，就可实现通信、定位、测距等多功能一体化
超宽带天线因其设计及制作简单，具有极佳的超宽带特性，此外还可以通过开槽/孔、改善曲线、加载设计、使用超材料等方法实现天线的高增益、小型化、共型、定向性等需求，是一种性能优异，应用前景广阔的宽频带微带天线。

（二）馈电概述

1969年，Cohn在 Slot line on dielectnc cubstrate 中第一次提到微波印制巴伦和微带到槽线的转换结构。此后，随着微波集成技术的发展，陆续有人提出了微带到槽线转换的不同结构，虽然结构不同，但代表的都是Marchand巴伦中的一种特殊结构。这个时期，微波巴伦的设计还没有使用我们现在所熟知的巴伦理论，因而带有一定的盲目性。
1986年，A. Axelrod 和 D. Lipman在 Novel planar balun feeds octave bandwith dipole 中运用Marchand 巴伦的理论对微带-槽线转换器进行设计。此后，Marchand巴伦逐渐为人们熟知，成为宽带化设计的常用巴伦结构。
最近几十年，随着微波单片集成技术的发展，人们将关注的目光转移到平面结构宽带巴伦的设计，陆续涌现出共面波导到槽线，共面波导到带线等的转换结构，进一步拓宽巴伦的工作带宽。以下是几种常见的馈电结构：

二、传统Vivaldi天线

（一）天线设计及仿真

比例变换原理：将天线按照某一个变换因子进行比例变换后，仍然和原来的天线具有一样的结构，那么我们可以知道在频率或者其整数倍时，天线也具有相同的特性。

可见Vivaldi天线曲线为指数线。最终设计为渐变指数取常用值R=0.05，则以天线最窄处左顶点为原点，渐进线函数为$y=0.392(e^{0.05z}-1)$

取天线开口最宽处接近低频截止频率(2.175GHz)所对应的工作波长(138mm)的一半;最窄处宽度为高频截止频率(30.725GHz)所对应得工作波长(9.8mm)的2%左右; 取天线的长度为3-5个中心频率(16.5GHz)工作波长(18mm)。

仿真结果：频带内均满足设计要求:

S11

VSWR

（二）馈电设计及仿真

为实现Vivaldi 天线的超宽带特性，首先我们需要为其设计一个超宽带馈电巴伦，Marchand 巴伦是一种带通网络结构，可由微带线和槽线交叉叠放，末端分别留有 $\frac{\lambda_g}{4}$的开/短路枝节线，能量由微带馈入，通过耦合的方式由槽线馈出。

由上述公式，在给定槽线阻抗和频率后即可求得微带的特性阻抗（可供参考）
Marchand 巴伦实现超宽带匹配在于两$\frac{\lambda_g}{4}$枝节线实现宽频带内等效的开/短路，为此我们采用槽线和微带分别采用圆形槽和扇形短截线实现宽带内等效开/短路变形枝节。
在求出微带线特性阻抗后，需要完成耦合微带到50Ω馈电端口的阻抗匹配，为此我们采用具有等波纹反射系数的切比雪夫$\frac{\lambda_g}{4}$阶梯阻抗变换线。