第11期 肀螬f S
M 龛*f M
Vol .15N o.il
2020 年 11 月
Journal of CAEIT Nov . 2020
doi ： 10. 3969/j . issn . 1673-5692. 2020. 11.006
史信荣、史劼2，熊洋洋\柯进、罗旭东1
(1.广东省计量科学研究院广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东广州51〇4〇5;
2.中国工业互联网研究院，北京100110)摘要：文中设计了一种新型超宽带平衡对跖Vivaldi 天线单元和阵列。研究分析了主要结构参数 对天线性能的影响，通过增加金属隔板、接地柱、减小天线剖面高度等方式，将天线单元的阻抗带宽 由1.7个倍频程提升至5个倍频程。该新型天线单元具有阻抗带宽较宽、结构尺寸小的特点，是一 种较为理想的超宽带阵列天线单元。在单元优化的基础上，文中对8 x 8的超宽带天线阵列性能进 行了研究，结果表明该天线阵列具有良好的阻抗带宽和辐射性能。关键词：超宽带；Vivaldi 天线；平衡对跖中图分类号:TN 98 文献标志码：A
文章编号：1673-5692(2020) 11-10654)5
Design of Ultra-Wideband Wide-angle Scanning Vivaldi
Antenna and Array
SHI Xin-rong 1 , SHI Jie 2 , XIONG Yang -yang 1 ,KE Jin ' , LUO Xu -dong 1
(1. Guangdong Institute of Metrology , Guangdong Provincial Key Laboratory of Modem Geometric and Mechanical
Metrology Technology , Guangzhou 510405 ,China ；
2. China Academy of Industrial Internet , Beijing 100036,China )
Abstract ： A novel ultra-wideband (UWB ) balanced antipodal Vivaldi antenna element and array with
wide-angle scanning is designed . The influence of the main structural parameters on the antenna perform ance is analyzed . The impedance bandwidth of the antenna element is improved from 1. 7 octaves to 5 oc taves by adding metallic partitions , metallic poles and reducing the height of the antenna . The novel an tenna element not only has a wide impedance bandwidth , but also a smaller structure size . The length and width of the antenna element is only half of the wavelength corresponding to the highest frequency . It is an ideal UWB wide-angle scanning array antenna element . On the basis of element optimization , the performance of 8 x 8 UWB array is studied . The results show that the aiTay has a wide impedance band width and good radiation performance .Key words ： ultra-wideba
nd (UWB ) ； vivaldi antenna ； balanced antipodal
〇引言
阵列天线具有快速扫描、波束形状捷变、空间功 率合成的能力，广泛应用在卫星通信、遥感遥测等领
域。随着技术不断发展，阵列天线对超宽带的需求
越来越强烈。超宽带技术应用于宽带电磁波计量， 可以提升测量系统的抗干扰能力，还能获得更高的
分辨率，具有窄带系统无法比拟的优势。因此，超宽 带阵列天线被广泛地进行研究[1 _3]。
收稿日期：2020冶9-29 修订日期：2020-11-10
基金项目：国家市场监管总局技术保障专项资助项目（2019YJ
031)
10662020年第11期
超宽带天线要求在天线全频段内驻波均匀一致 性好、增益平坦、插人损耗小、辐射方向图保持近似 不变[4<。阵列单元要求天线具有较小的尺寸，特 殊用途的阵列天线往往还需要具有较低的剖面。
Vivaldi天线具有结构简单、阻抗带宽宽、辐射 方向图稳定、加工设计简单X且易于集成共形的 优点，适合阵列天线应用。很多文献对Vivaldi进行 了深人研究和各种改进，如在Vivaldi的辐射臂上开 设条状结构改善其交叉极化性能[9]，在辐射臂末端 圆形加载利用电流的曲流原理配合缝隙加载扩展阻 抗带宽[1°]，在辐射臂两端对称加载纹波改变金属表 面的电流分布等实现小型化结构[11]。但是，仅目前 的文献中，同时具有超宽带的阻抗匹配、小型化结构 的Vivaldi天线很少，这也是超宽带阵列天线急需解 决的问题。
本文提出了一种新型超宽带Vivaldi天线单元，通过在平衡式辐射臂之间增加金属过孔抑制因腔体 自激引起的谐振，在辐射臂两端增加接地金属柱用 以改善低频段的阻抗匹配，且在两侧增加金属隔板 减小了单元之间的互耦。该新型Vivaldi天线相较 于传统的平衡对跖式Vivaldi天线，阻抗带宽由1.7 个倍频程，提升至5个倍频程。带宽内增益稳定，方 向图辐射性能良好。此外，该天线的长度尺寸仅为 最高频率对应波长的一半，应用于阵列设计中，可以 实现超宽带性能P
2新型Vivaldi天线单元设计
2.1天线模型
本文提出了一种新型的平衡对跖式Vivaldi天 线单元，如图1所示〇
金属过孔
图1天线单元模型示意图
天线单元由辐射贴片、带状线、介质基板、金属 隔离挡板、接地金属柱以及同轴接头组成。由于采 用了平衡对跖式结构，天线辐射臂由三个金属贴片 组成，其中一边两个金属贴片印刷在介质基板的两 侧，另外一边的辐射金属贴片印刷在介质基板中间。介质基板选用厚度为1.5 mm、介电常数为2.2的Rogers 5880作为介质材料。两个金属贴片中间形 成了空腔，容易引起谐振，因此在金属贴片上引人了 多个金属过孔，可以有效抑制谐振，扩展阻抗带宽。
天线单元的辐射臂结构如图2所示，辐射臂的 上边界和下边界均采用指数渐变线。带状线高度和 辐射臂的高度分别为/，和/2，辐射臂开口宽度为 %，上下边界渐变线曲率分别为和&，辐射臂末 端与金属支柱之间的间距为％。
图2天线单元辐射臂示意图
2.2参数分析
传统的对跖Vivaldi天线放置于阵列中，单元之 间的互耦较为严重，在工作频带内常产生一些谐振 点，因此本文设计的新型天线单元，在单元E面方 向增加了两个金属隔离挡板。采用周期边界条件仿 真，新型单元的驻波参数与传统单元之间的对比如 图3所示。结果表明，增加挡板后，带内的谐振点得
频率/GHz
图3驻波系数（
无挡板与有挡板情况对比)
2020年第11期史信荣等：超宽带Vivaldi 天线单元及阵列设计
1067
可以看到，随着长度/，增大，高频驻波匹配变 差，带宽减小。选取较小的[有利于展宽带宽，但是 太小的/，也会导致低频端阻抗匹配变差。
4 5
6
频率/GHz
图6
优化后的单兀仿真结果
阵列天线对应波长A …的一半，为创建阵列创造了条件。同 时，剖面高度约为〇.63A H ，满足机载和星载阵列低 剖面、轻量化的要求。图7给出了天线单元在不同 频点的辐射方向图。可以看到，在低频端1.5 GHz 处，增益约为-10 dB ；在高频端7. 5 GHz 处，波束宽 度变窄，增益约为4.5 dB 。图7表明，从低频到高 频，波束的定向性越来越明显。
10
通过对天线结构参数:/^/^^^化等参数的优 化，最终结构参数如表1所示。优化后的天线单元 驻波以及增益曲线仿真结果如图6所示。
从图6可以看到，天线单元在1.48 G H z 〜 7. 5 GHz 内驻波系数小于2，阻抗带宽大于5个倍频 程。带内增益平稳，具有较高的辐射效率。并且，该 天线单元的长度和宽度尺寸均为最高谐振频率7. 5 GHz
•150 -100 -50
50 100 150
0/(°)
图7不同频点的单元方向图
3阵列仿真结果
受单元之间互耦以及阵列规模等条件的限制，
-30
2.3优化结果
-40
图5 /，对驻波系数的影响
4 5
频率/GHz
图4 W ，对驻波系数的影响
4
5
频率/GHz
到有效抑制，带宽由原来的1.7个倍频程扩展至 3. 3个倍频程。
而且，研究发现，在辐射臂末端放置接地柱，对
低频端阻抗匹配影响较大。图4给出了辐射臂与接 地柱的间距％对阻抗带宽影响的结果。可以看到 随
着间距％减小，驻波带宽向低频端展宽，但中间 频点的驻波也逐渐变差。此外，带状线的长度/，对 驻波影响也很大，参数扫描结果如图5所示。
表1优化后的结构参数
参数
数值参数数值24.4M ；f 1.020
hd
2.5w2200.2/,10.60. 18
12
13. 8尺2-0. 5318t
1.5
0.28
6 p ----------------------------------------------------- 10
-V S W R
5 '
— RoalizedGain
_
■ //
-戶 1.5 G H z
--/=4.5 G H z 戶7.5 G H z 10
•HP /钼
赃
s
it
10682020年第11期
-200
-100
0 100 200
S IC )
图13对称排布的交叉极化方向图（高频点7. 5 G H z )
图12对称排布的交叉极化方向图（低频点l.s G H z )
-%〇
-100
e/n
100200
超宽带天线单元单独工作时的特性与其在阵列中的 特性往往差异很大。为了进一步研究这种新型天线 单元应用于阵列中的性能，对8 X 8规模的阵列进行 了仿真研究，阵列模型如图8所示。
图8阵列模型图
采用传统的布阵方式，即各个单元摆放形式相
同，获得的交叉极化方向图如图9所示。在中心频 点4. 5 GHz ，主瓣增益为18.6 dB ，副瓣电平低于 -13.6 dB ，交叉极化电平低于-40.6 clB 。为了进 一步降低交叉极化电平，本文采用了如图10所示的 相邻单元对称放置的排列方式。
20
-30-40
-150 -100 -50
50 100 150
〇/(°)
图11对称排布的交叉极化方向图（中心频点4. 5 G H z )
10
-10
-100
-200
-100
〇/(°)
100 200
图9传统布阵方式的交叉极化方向图（中心频点4.5 G H z )
相位相笔丨8〇。
天线单元
相邻单元对称排布 /~
相位相差180°
n n z -
辐射贴片 〜
金属接地柱
图10相邻单元对称的排布方式示意图采用相邻单元对称排布的方式，得到的交叉极化 方向图如图11〜图13所示。在中心频点4. 5 GHz ，主 瓣增益为18.6 dB ，副瓣电平低于-13.6 dB ，交叉极 化电平低于-60. 1 dB 。在低频点1.5 GHz ，主瓣增益 为6. 1 dB ，副瓣电平低于-16 dB ，交叉极化电平低于 -38.7 dB 。在高频点7. 5 GHz ，主瓣增益为22. 1 dB ， 副瓣电平低于-12. 3 dB ，交叉极化电平低于 -39.6 dB 。可以看到，天线阵列具有良好的辐射特 性以及较低的交叉极化电平。
10
/=1.5G H z
-•戶4.5 G H z --户7.5 G H z
-H-plane co
E-plane co H-plane cross E-plane cross ap /
钼
齊
o
o
o
-2-4-6
H p i
o
o o o
o o
-2-3-4-5-6-7
HP /
钼
赞
10
a p
i
2020年第11期史信荣等：超宽带Vivaldi天线单元及阵列设计1069
4结语
本文研究了一种新型的小型化、超宽带平衡对 妬式Vivaldi天线。针对传统Vivaldi天线带宽较 窄、尺寸较大等问题，本文采用了多种改进方式：通 过在单元E面两侧增加金属隔板有效抑制谐振频 率的产生，从而拓展阻抗带宽；通过在辐射臂两侧增 加接地柱，使低频段带宽进一步扩展；通过降低剖面 高度和天线尺寸，使天线具有宽角扫描能力。经过 仿真优化，天线单元的阻抗带宽达到了 5个倍频程。最后，本文对8 x8的超宽带阵列进行了仿真，验证 了单元在阵列中的性能，且采用单元对称排布方式，使交叉极化电平得到降低。
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作者简介
史信荣（丨978—），男，江西人，工学博
士，高级工程师，主要研究无线电干扰在
线计量、宽带天线设计及E M C滤波设计；
E-mail：sxrfreeman@126. com
史劼（1984—），男，江西人，博士，高级工程师，主要 研究方向为工业互联网大数据分析技术、5G +工业互联网 行业应用；
熊洋洋（1986—），男，河南人，硕士，工程师，主要研究 方向为无线电计量、EM C测试及研究；
柯进（1975—)，男，广东人，硕士，高级工程师，主要 研究方向为电磁计量、E M C与环境测试及研究；
罗旭东（1966—），男，广东人，教授高级工程师，主要研 究方向为电磁计量、
计量管理及研究。
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