一種基于微帶線-帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線設計

劉 曉，叢惠平，何紅英，付博實

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍91033部隊，山東 青島 266071；3.中國人民解放軍32703部隊，河北 石家莊 050081；4.中國人民解放軍32036部隊，重慶 400054)

0 引言

為適應新形勢下戰場環境的干擾防護以及民用領域的環境監測等需求，無線電測向的應用日益廣泛[1]，同時隨著電磁環境日益復雜，需要監測的信號頻帶越來越寬，對測向天線單元寬帶性能的需求日益迫切[2]。為了應對上述需求，提出了利用Vivaldi天線作為寬帶測向天線單元[3]。

Vivaldi天線是一種漸變槽線結構的天線形式[4]，該天線設計靈活，通過改進設計，可實現雙極化、與載體共形及可重構等性能，因此Vivaldi天線是一種非常適合于工程應用的天線[5]。在測向系統中相較于其他天線形式，Vivaldi天線具有天然的優勢，具體表現在該天線本身就是寬帶天線[6]；采用印制板形式具備重量輕、一致性好等優點[7]；對于不同頻率，天線工作部分不同，天然適應不同頻率對測向基線的要求，既可避免對于高頻基線太長造成測向模糊，又可以避免低頻段基線太短，測向精度不高的問題[8]。

在Vivaldi天線的設計過程中，饋電結構是重要的一環[9]，其作用是實現饋電同軸線不平衡部分到平衡輻射體的轉換及阻抗匹配，進而完成高效率的能量傳遞[10]。本文設計優化了一款微帶線到帶狀線到雙面槽線的巴倫結構[11]，并進一步完成了整個天線的仿真優化，最后通過采用2塊介質板裝配的形式制作了天線實物，對實物進行了測試，實測結果與仿真結果具有很好的吻合性，結果表明該種結構形式及裝配工藝在兼顧簡單易行的基礎上，同時具備有效的設計性。

1 微帶線-帶狀線-雙面槽線轉換巴倫的 設計仿真

本文采用的巴倫形式為微帶線-帶狀線-雙面槽線的雙層介質基板印刷巴倫，如圖1所示，先行設計了一款背靠背形式的轉換器[12]。微帶線便于與同軸電纜連接，微帶線將能量傳遞給帶狀線，小間距下帶狀線的線間互耦遠小于微帶線[13]，這在天線間距很小的情況下尤為重要，帶狀線則通過末端的扇形枝節將能量耦合給槽線，在Vivaldi天線中槽線則直接與對稱結構的輻射體連接，形成有效的輻射[14]。本文中介質基板選用常用的FR4，單片厚度為1.4 mm。

圖1 背靠背轉換器示意Fig.1 Schematic diagram of back to back converter

背靠背轉換器由2塊介質板構成，其中頂層介質板通過切割凹槽與對應底層介質板形成微帶結構，微帶線寬度為a，長度為l1。帶狀線由2段不同寬度的帶線組成，寬度分別是b、c，長度分別是l2、l3。扇形枝節半徑為r，角度為ang，槽線的圓形開路終端直徑為D。

通過優化仿真，最終確定的參數值為：a=2 mm，l1=5 mm，b=1.1 mm，l2=10 mm，c=0.8 mm，l3=6 mm，r=5 mm，D=9 mm，ang=100°。仿真得到巴倫端口的VSWR及傳輸系數如圖2所示。從圖中可以看出，該轉換器在1～11 GHz絕大部分范圍內駐波比小于2∶1，在1～7 GHz頻段的插入損耗在0.6～2.5 dB之間，但隨著頻率的進一步升高插入損耗開始急劇變大。這主要是FR4損耗角正切較大，在高頻段造成介質損耗急劇上升同時輻射損耗變大的結果。

圖2 轉換器仿真結果Fig.2 Simulation results of converter

2 天線仿真設計及測試

在上一節微帶線-帶狀線-雙面槽線饋電巴倫仿真優化的基礎上，加入Vivaldi天線輻射部分形成對稱結構的天線整體[15]，同時為了更接近實際使用模型，在微帶線饋電口加入同軸連接器以模擬實際接頭。天線仿真模型如圖3所示，天線外形尺寸為150 mm×75 mm×2.8 mm，其中天線輻射器邊緣采用指數函數曲線，其方程為：

x=C1eC2y+C3，

式中，C1，C2，C3為常數，用來控制指數曲線的形狀和尺寸。對上述Vivaldi天線進行優化仿真，得到天線駐波比曲線如圖4所示。可以看出，在2～8 GHz范圍內天線駐波比小于3∶1。

圖3 天線仿真模型Fig.3 Simulation model of antenna

圖4 駐波比仿真曲線Fig.4 Simulation curve of SWR

對于傳統測向陣，主要關注天線方位面方向圖，按圖7天線姿態來說即天線的H面。故本文主要考量該天線在此面的方向圖，圖5給出了天線在頻率為2，4，6，8 GHz時H面上的仿真方向圖。

圖5 仿真方向圖Fig.5 Simulation direction map

根據設計的Vivaldi天線結構和尺寸，加工了天線原理樣機，在分析了天線上電流分布的基礎上[16]，盡量避免影響電流分布對天線體進行了開孔以便裝配，實物如圖6所示。在微波暗室內對天線性能進行了詳細測試，測試場景如圖7所示。

圖6 天線實物Fig.6 Real antenna

圖7 測試場景Fig.7 Testing scenario

天線在輸入端口處的駐波比曲線如圖8所示。測試結果表明，在2～8 GHz范圍內，加工的Vivaldi天線的駐波比小于3∶1，雖然比仿真結果稍有惡化，但從包絡形狀看與仿真結果還是很相近的。對于測向陣作為接收天線來說該駐波比指標是可以滿足絕大多數場景需求的。之所以產生惡化主要是由于接頭焊接、裝配不當造成的。

圖8 實測駐波比曲線Fig.8 Measured curve of SWR

圖9給出了天線在2，4，6，8 GHz時實測方向圖與仿真方向圖的對比。同時，表1給出了該天線實測數據與仿真數據的詳細對比情況。由圖9和表1可以看出，實測方向圖與仿真方向圖具有很好的吻合性，尤其是在主瓣范圍內，方向圖幾乎一致，表明該款天線具有很好的設計有效性。

圖9 實測方向圖與仿真方向圖對比Fig.9 Comparison of measured directions and simulation patterns

表1 波束寬度及增益對比Tab.1 Comparison of Beamwidth and Gain

從表1的數據可以看出，對于傳統9陣元測向陣，本文設計的Vivaldi天線在2～7 GHz可以覆蓋全方位面，完成測向功能，若想擴充頻段可考慮增加陣元個數。

3 結束語

測向天線陣在日益復雜的電磁環境中應用日益廣泛，特別是對寬帶測向陣的需求日益迫切。本文以Vivaldi天線作為測向天線單元作為研究對象，引入了一種微帶線到帶狀線再到槽線的巴倫結構對天線輻射部分進行饋電[17-18]。在兼顧減小饋線間耦合的情況下，方便與射頻接頭連接。采用全波電磁仿真技術對饋電巴倫及整個天線進行了設計優化，在2～8 GHz頻段范圍內獲得了良好的阻抗匹配和輻射特性。根據設計的天線結構，進行了天線實物的加工測試，給出了具體的測試結果，并與仿真結果進行了對比，結果表明本文的設計方案切實可行。基于微帶線-帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線具有結構簡單，成本低、加工方便和頻帶寬易于安裝等優點，可作為測向天線單元的可選方案。