超宽带vivaldi天线单元设计(二)
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三、 对踵Vivaldi天线
（一）天线设计及仿真
对踵Vivaldi天线模型图Vivaldi天线在低频端作为谐振天线工作，在高频端作为非谐振的行波辐射器。工作频率的下限由天线的宽度（两个辐射壁之间的最大间隔）决定，一般这个宽度需要达到最低工作频率对应波长的二分之一；而工作频率的上限受槽线最小宽度的限制，对于传统 Vivaldi 天线，高频段槽线宽度受加工精度限制，在30GHz处的阻抗匹配较差，且对馈电结构要求较高，不易实现,因此我们采用对踵型Vivaldi天线。
针对传统 Vivaldi 天线馈电结构限制天线带宽的缺陷，对踵Vivaldi 天线的槽线宽度是由零逐渐增大的，其高频端截止频率理论上为无穷大，不再受槽线最小宽度的限制，且馈电结构是由微带线到平行双线的渐变过渡线，超宽带阻抗匹配较易满足。
1.全频段仿真结果
S11
VSWR在全频段处S11低于-14.5dB，VSWR在1.6以下，达到指标要求。
2.中心频率处仿真结果
表面电场及电流在中心频率处天线表面场近似行波分布，反射较小。
E面H面方向图在中心频率处增益达到9.8dBi，满足指标要求。
3D方向图3.设计分析
- 交叉极化对踵Vivaldi 天线交叉极化要高于传统Vivaldi天线。这主要是因为：对于对踵Vivaldi天线，辐射电磁波的电场方向由介质基片一侧的导体指向另一侧的导体，由于介质基片本身具有一定的厚度，所以电场与天线平面之间存在着一个倾斜角。当天线的工作频率很低时，电磁波由天线末端辐射，此时基片厚度相对于天线两侧导体之间的距离来说可以忽略不计，电场倾斜角较小，辐射电磁波的电场近似平行于天线平面，天线的交叉极化性能尚可；而当天线的工作频率升高时，天线辐射区域远离天线末端，随着两侧导体之间的距离减小，介质基片厚度的影响不能忽略，电场发生了较大的倾斜，天线的交叉极化性能就变差，且工作频率越高，交叉极化越差。交叉极化特性较差是对踵Vivaldi天线的主要缺陷。
- 反射：天线低频端驻波较高频端稍差，这主要是因为：低频端由天线末端的区域进行辐射，电流在天线末端没有得到有效的衰减而被反射回来，而高频时天线上的电流沿天线辐射壁衰减较为迅速。
- 波束宽度：天线在低频端波束宽度较窄，随着频率升高，波束宽度变宽。随着频率的进一步升高，E面方向图主瓣发生了明显的分裂，出现旁瓣。这主要是因为频率升高时，介质基片相对较厚，介质中出现表面波，损耗变大。
- 增益：低频时天线的有效辐射区域较小，增益较小；随着频率的升高，天线的有效辐射区域增大以至稳定；高频时，由于介质损耗增大，方向图主瓣出现分裂，增益又迅速下降。
（二）馈电设计及仿真
为实现对对踵型Vivaldi天线的馈电，我们需重新设计一种超宽带的馈电电路，这里我们采用微带到平行板线的超宽带馈电巴伦：50Ω微带线经由指数渐变到平行板线，如图
需要注意的是，渐变初始端地板宽度要足够大(5~10倍微带宽度以便同轴到微带建立电场，同时减少安装馈电接头后的影响)。
仿真结果如下：
S11
S21
VSWR由以上数据可以看到，此种超宽带巴伦能够很好地实现3－30GHz内的微波传输，且能和天线较好地衔接，是一种十分理想的馈电方式。
（三）整体结构及仿真
天线模型图(带通孔)1.S参数
2.驻波系数
从图中可以看出，在3-30GHz的频率范围内，s11<-10dB，VSWR<2，反射系数、驻波系数在要求的频段全部满足要求。
3.增益方向图
3.1 3GHz
E面方向图3GHz的E面方向图，主瓣较宽，副瓣电平较低，增益小，前后比10dB左右
H面方向图3GHz的H面方向图主瓣较宽，增益小，副瓣电平小，前后比10dB左右
3.2 16.5GHz
E面方向图16.5GHz的E面方向图，主瓣较宽，增益G=10.3dBi达到设计要求，副瓣电平偏高，前后比20dB左右，满足单向辐射的要求
H面方向图16.5GHz的H面方向图，主瓣较窄，增益G=10.2dBi达到设计要求，副瓣电平偏低，前后比20dB左右，满足单向辐射的要求
3.3 30GHz
E面方向图30GHz的E面方向图，主瓣宽，增益较低，副瓣电平高，前后比15dB左右
H面方向图30GHz的H面方向图，主瓣较窄，增益较低，副瓣电平偏高，前后比20dB左右
四、 实测结果
（一）天线实物图
正面及背面（二）天线支架实物图
竖直测量支架
水平测量支架（三）测试环境
（四）实测数据对比
1.S参数
实测天线，在频率高端，与仿真数据对比，天线S11水平恶化；但在全频段（3-30GHz）反射系数<-10dB，仍满足设计要求。
2.驻波系数
VSWR，仿真与实测数据在低频端比较吻合，在高频端，实测数据的VSWR要高于仿真数据，说明天线高频端反射性能有一定程度的恶化。全频段（3-30GHz）VSWR<2
3.增益方向图
3.1 3GHz
3GHz的E面方向图，仿真与实测间方向图的主瓣方向出现大约30度的偏差，仿真与实测的方向图形状基本吻合，零值方向，极值方向存在差异
3GHz的H面方向图，仿真和实测的方向图形状基本吻合，实测在0度附近幅值出现下降
3.2 12GHz
12GHz的E面方向图，仿真和实测的方向图形状基本吻合，主瓣方向相差不大，由于测试存在误差，实测的零值深度相对于仿真的零值深度更低
12GHz的H面方向图，仿真与实测的方向图形状基本相同，主瓣方向相差不大，由于存在测试误差，实测的零值深度与仿真的零值深度相比更低
3.3 21GHz
21GHz的E面方向图，仿真和实测的方向图形状基本吻合，在这种情况下，天线的性能不理想，主瓣方向不明显，副瓣电平大
21GHz的H面方向图，仿真与实测的方向图形状基本吻合，主瓣方向相差不大，由于存在测量误差，实测方向图的零值深度比仿真方向图的低
3.4 30GHz
30GHz的E面方向图，仿真与实测的方向图形状基本吻合，主瓣方向不明显，由于存在测量误差，实测方向图的零值深度低于仿真方向图
30GHz的H面方向图，实测方向图的形状与仿真方向图形状相比存在一定的偏差，由于数据点直上直下地变化，实测方向图的形状不明显；与仿真方向图相比，实测方向图的主瓣不明显
五、总结
| 指标 | 完成情况 | 备注 |
|---|---|---|
| 带宽 3~30GHz | √ | 高频部分有一定程度恶化 |
| $S_{11} < -10dB$ | √ | 全频段达到要求 |
| $a*b<100*200mm$ | √ | 92.5*96mm |
| 单向辐射 | √× | 实测频点，除3GHz外，其他频点前后比均大18dB |
| $G_{f0}>8dBi$ | √ | 仿真满足，未实测 |
本次课程设计，我们学习到了文献查找的相关知识，对超宽带天线设计中的比例变换原理、Marchand巴伦、Chebyshev阶梯阻抗变换、开槽设计、微带到平行板线超宽带馈电巴伦等有了进一步认识；提升了使用HFSS、CST、AutoCAD建立天线模型、仿真、优化、制作版图及支架的能力；实际参与了天线的参数、方向图测量。通过此次课设我们深入了解了微带天线的设计、仿真、制作、测试流程；将理论和实际相结合，第一次用自己所学的电磁波理论知识设计制造出完整的Vivaldi天线，但我们也深感自己能力的不足，在此由衷地感谢林先其老师及王豹学长的指导，祝愿林老师和王学长身体健康，科研顺利。
30g带宽，牛逼哇
最近有点忙，没继续更新，后面还有测试部分没写
你好，只要S11低于-10db的频率范围就是天线的带宽吗
一般来讲将S11小于-10dB的带宽称为阻抗带宽，是衡量天线带宽的一个指标，还有轴比带宽等指标，视天线具体情况而定，S11小于-10最常用
你好，请问类似类型的Vivaldi天线，仿真结果S11，阻抗匹配，效率都是正常的，方向图旁瓣与后瓣却出现了增益特别大的点，这种情况该如何改进呢？（增益也下降了）
这种vivaldi后瓣确实比较大，我对此了解也比较少，建议查询一下相关文章