2017年第1期
空间电子技术
SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY57
张更，王威，霍小宁，杨缚，王煊
(北京航天长征飞行器研究所，北京100076)
摘要：介绍了一种超宽带双极化天线，天线采用Vivaldi辐射单元交叉垂直放置，具有体积小、剖面低、质量轻的特点。在ANSYS HFSS仿真计算中，天线在3~13 GHz的频段范围内，具有良好的阻抗匹配特性和方向图特性。加入了扼流槽结构，抑制天线的表面波，从而降低了天线的后瓣。 关键词：超宽带；双极化；天线
中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 01-0057-M
D O I：10.3969/j.issn.l674-7135.2016.01.013
喷淋嘴A Design of UW
B Dual-Polar Vivaldi Antenna
Z H A N G G e n g,W A N G W e i,H U O Xiao-ning,YANG C h u o,W A N G Xuan
(Beijing Institute of Long March Space Vehicle,Beijing 100076,China)
Abstract：A ultra wide-band antenna with low cross polarization was introduced. The antenna is made up of two Vivaldi antenna which has the features of small volume,low profile and low weight.Each element is placed vertically.The wide-band antenna was modeled using the ANSYS HFSS simulator.lt operates at voltage standing wave ration of less than 2 with frequency from 3 GHz to 13 GHz. The antenna has a excellent impedance matching characteristic and a outstanding radiation characteristic.In order to reduce the rear flap of the antenna, a choke-slot is added to suppress the surface wave of the antenna.
Key words：Ultra wide-band；Dual-polar；Antenna
〇引言
近年来，人们对通信的信息容量要求越来越大，这就要求天线必须具有宽频带、多极化的工作特性。不管是在民用的超宽带通信系统，还是在军用雷达 方面，超宽带天线以其发射功率低、保密性好等特 点，越来越受到人们的关注[M]。
本文提出了一种具有良好辐射特性的超宽带 Vivaldi天线，天线由2个交叉放置的Vivaldi天线单 元组成，实现2个正交极化的辐射器。与其他的双 极化天线相比，这种新型的双极化Vivaldi天线具有 质量轻、剖面低、体较小的特点，在飞行器上具有广 泛的应用前景。1基本原理
Vivaldi天线是一种非频变的行波天线，最早由 Gibson提出[4]。实现非频变天线的方法主要有2 种：第1种是天线结构只由角度决定；第2种是使天 线的结构尺寸按某一种特定比例因子变换。成功地 设计一种非频变天线，必须满足下列基本要求：
(1) 天线自相似结构（连续的或离散的），并使其结构做的任意小；
(2) 天线没有明显的终端效应，即在天线有辐射区之后天线电流衰减很快，以至在结构终端截 断面而不会对天线电性能产生明显的影响；buck降压电路
(3) 天线有效辐射区在结构上的位置，必须波长成一定比例。
①收稿日期:2016-08-11；修回日期:2016-09-28。
作者简介：张更（1990—），硕士，主要研究方向为无源微波器件与天线设计。
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为实现由空间波阻抗到50 II特性阻抗的转换，Vivaldi人线的辐射部分沿要由较宽的槽线过渡到较 中的枬线，对于1：作/I肌配状态下的槽线，如果槽线 宽度远大于'卜个工作波长，逐渐加大槽线宽度能够 向外辐射电磁波，Vivaldi天线的辐射机理类似于标 准的T E M模喇叭天线。通过在介质板上的槽线宽 度按照指数曲线变大，从而形成了具有良好辐射特 件的丨卜：频变大线，其中天线的I：作频带的低频截止 长受到槽线伋大宽度影响@同理，天线的命频截 止波长受到槽线最窄处的限制[5<A
如图1所小•，人•线主要分为微带-槽线转换部分 和大线枬线渐变部分。设计时，分别对天线的各个 部分进行设计。
天线槽线渐变部分
微带-槽线转换部分
图1 Vivaldi天线结构图
Fig.l Structure of Vivaldi antenna
(1) 微带-槽线转换部分
微带-槽线转换中的圆形谘振腔的f•衫为天线 工作波长的1/4。为了侦人线.U打良好的阻抗匹配 特f k，这1丨I使用扇形短枝节代替具有窄带特忭的1/4 波长微带线[7]。
(2) 天线槽线渐变部分
天线的高频截止频率与低频截止频率分别由渐 变线最窄处和喇叭口的开0尺寸决定[8^天线渐变线的长度为3~5个中心频率，完成馈电部分到辐射 部分的过渡。指数渐变曲线由y=Ciea'+C2确定，其 中，yi)A O h h)分别为渐变线的起点和终 点，q和仏由下式i|1T:
^ji ~ ri
ax2 a%\
7i e~ J2e 2天线的仿真设计
2.1天线的仿真结构
天线作H F S S求解器中的仿真模型如图2所示。天线为2个Vivaldi天线交义放托，介质板材料为&
= 2.65的聚乙烯材料，厚度为0.5 m m，天线高度为 35mm，相对于汗通Vivaldi天线，商度较低，为调U 阻抗匹配，进行辐射片边缘开槽处理，外/I：轭射顶端 (远离辐射喇叭口位置）加载4个电阻。为降低天 线后瓣，提商夭线的前.后比，务：人线周旧加入扼流枬 结构，用以抑制人线辐射的表面波^天线采用底馈 的方式进行馈电，馈电微带线使川T项渐变线，提高 天线阻抗匹配效果Q
2.2天线的仿真结果
佼增之U，通过参数优化功能，达到设计要 求的各参数似，似终结果表示在图3中。从图3胃 芥出，天线祚3~13 G H z频段范围内的KS驟<2，具有良好的阻抗匹配特性0
客车门Fig.3 V SW R of the vivaldi antenna
仿真得到的各频点辐射方向图结果如图4所 示，天线在整个频带内具有良好的方向图一致性。在各个不同的频点i：，Vivaldi人线U
通用机关零件
心较好的交叉
2017年第1期张更，等：超宽带低剖面双极化Vivaldi天线设计59
极化比，在主辐射方向上，交叉极化比不小于18 d B，低后瓣特性，前后比不小于15 d B，能满足正常的双极化纯度较理想。在整个超宽带频段内，天线具有 极化天线设计。
R adiation Pattern 4R adiation Pattern 4R adiation Pattern 4
(j) 12 GHz (k) 13 GHz
图4辐射方向图仿真结果
Fig.4 Radiation pattern of the vivaldi antenna
3结论积、低剖面的基础上，提高天线的阻抗匹配特性与方随着双极化天线的飞速发展，如何在保持小体 向图一致性，一直是国内外学者研究的重点s本文
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通过理论设计，借助HFSS软件仿真，设计了 一种工 作于3 ~ 13 GHz的超宽带双极化Vivaldi天线。经 过仿真计算，天线在工作频段内，<2，具有良 好的方向图一致性。在整个工作频段内，交叉极化 比不小于18 dB，前后比不小于15 dB，相对普通 Vivaldi天线的单线极化特性，文中的交叉Vivaldi天 线具有双极化的辐射性能，结合实际需要，天线体积 小、剖面低，能够进行防热盖板共形设计，并在3〜13 GHz的频带范围内，具有良好的辐射一致性，在飞行 器天线上具有良好的应用前景。
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