一种基于微带线-带状线巴伦馈电的Vivaldi天线设计

刘 晓，丛惠平，何红英，付博实

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军91033部队，山东 青岛 266071；3.中国人民解放军32703部队，河北 石家庄 050081；4.中国人民解放军32036部队，重庆 400054)

0 引言

为适应新形势下战场环境的干扰防护以及民用领域的环境监测等需求，无线电测向的应用日益广泛[1]，同时随着电磁环境日益复杂，需要监测的信号频带越来越宽，对测向天线单元宽带性能的需求日益迫切[2]。为了应对上述需求，提出了利用Vivaldi天线作为宽带测向天线单元[3]。

Vivaldi天线是一种渐变槽线结构的天线形式[4]，该天线设计灵活，通过改进设计，可实现双极化、与载体共形及可重构等性能，因此Vivaldi天线是一种非常适合于工程应用的天线[5]。在测向系统中相较于其他天线形式，Vivaldi天线具有天然的优势，具体表现在该天线本身就是宽带天线[6]；采用印制板形式具备重量轻、一致性好等优点[7]；对于不同频率，天线工作部分不同，天然适应不同频率对测向基线的要求，既可避免对于高频基线太长造成测向模糊，又可以避免低频段基线太短，测向精度不高的问题[8]。

在Vivaldi天线的设计过程中，馈电结构是重要的一环[9]，其作用是实现馈电同轴线不平衡部分到平衡辐射体的转换及阻抗匹配，进而完成高效率的能量传递[10]。本文设计优化了一款微带线到带状线到双面槽线的巴伦结构[11]，并进一步完成了整个天线的仿真优化，最后通过采用2块介质板装配的形式制作了天线实物，对实物进行了测试，实测结果与仿真结果具有很好的吻合性，结果表明该种结构形式及装配工艺在兼顾简单易行的基础上，同时具备有效的设计性。

1 微带线-带状线-双面槽线转换巴伦的 设计仿真

本文采用的巴伦形式为微带线-带状线-双面槽线的双层介质基板印刷巴伦，如图1所示，先行设计了一款背靠背形式的转换器[12]。微带线便于与同轴电缆连接，微带线将能量传递给带状线，小间距下带状线的线间互耦远小于微带线[13]，这在天线间距很小的情况下尤为重要，带状线则通过末端的扇形枝节将能量耦合给槽线，在Vivaldi天线中槽线则直接与对称结构的辐射体连接，形成有效的辐射[14]。本文中介质基板选用常用的FR4，单片厚度为1.4 mm。

图1 背靠背转换器示意Fig.1 Schematic diagram of back to back converter

背靠背转换器由2块介质板构成，其中顶层介质板通过切割凹槽与对应底层介质板形成微带结构，微带线宽度为a，长度为l1。带状线由2段不同宽度的带线组成，宽度分别是b、c，长度分别是l2、l3。扇形枝节半径为r，角度为ang，槽线的圆形开路终端直径为D。

通过优化仿真，最终确定的参数值为：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°。仿真得到巴伦端口的VSWR及传输系数如图2所示。从图中可以看出，该转换器在1～11 GHz绝大部分范围内驻波比小于2∶1，在1～7 GHz频段的插入损耗在0.6～2.5 dB之间，但随着频率的进一步升高插入损耗开始急剧变大。这主要是FR4损耗角正切较大，在高频段造成介质损耗急剧上升同时辐射损耗变大的结果。

图2 转换器仿真结果Fig.2 Simulation results of converter

2 天线仿真设计及测试

在上一节微带线-带状线-双面槽线馈电巴伦仿真优化的基础上，加入Vivaldi天线辐射部分形成对称结构的天线整体[15]，同时为了更接近实际使用模型，在微带线馈电口加入同轴连接器以模拟实际接头。天线仿真模型如图3所示，天线外形尺寸为150 mm×75 mm×2.8 mm，其中天线辐射器边缘采用指数函数曲线，其方程为：

x=C1eC2y+C3，

式中，C1，C2，C3为常数，用来控制指数曲线的形状和尺寸。对上述Vivaldi天线进行优化仿真，得到天线驻波比曲线如图4所示。可以看出，在2～8 GHz范围内天线驻波比小于3∶1。

图3 天线仿真模型Fig.3 Simulation model of antenna

图4 驻波比仿真曲线Fig.4 Simulation curve of SWR

对于传统测向阵，主要关注天线方位面方向图，按图7天线姿态来说即天线的H面。故本文主要考量该天线在此面的方向图，图5给出了天线在频率为2，4，6，8 GHz时H面上的仿真方向图。

图5 仿真方向图Fig.5 Simulation direction map

根据设计的Vivaldi天线结构和尺寸，加工了天线原理样机，在分析了天线上电流分布的基础上[16]，尽量避免影响电流分布对天线体进行了开孔以便装配，实物如图6所示。在微波暗室内对天线性能进行了详细测试，测试场景如图7所示。

图6 天线实物Fig.6 Real antenna

图7 测试场景Fig.7 Testing scenario

天线在输入端口处的驻波比曲线如图8所示。测试结果表明，在2～8 GHz范围内，加工的Vivaldi天线的驻波比小于3∶1，虽然比仿真结果稍有恶化，但从包络形状看与仿真结果还是很相近的。对于测向阵作为接收天线来说该驻波比指标是可以满足绝大多数场景需求的。之所以产生恶化主要是由于接头焊接、装配不当造成的。

图8 实测驻波比曲线Fig.8 Measured curve of SWR

图9给出了天线在2，4，6，8 GHz时实测方向图与仿真方向图的对比。同时，表1给出了该天线实测数据与仿真数据的详细对比情况。由图9和表1可以看出，实测方向图与仿真方向图具有很好的吻合性，尤其是在主瓣范围内，方向图几乎一致，表明该款天线具有很好的设计有效性。

图9 实测方向图与仿真方向图对比Fig.9 Comparison of measured directions and simulation patterns

表1 波束宽度及增益对比Tab.1 Comparison of Beamwidth and Gain

从表1的数据可以看出，对于传统9阵元测向阵，本文设计的Vivaldi天线在2～7 GHz可以覆盖全方位面，完成测向功能，若想扩充频段可考虑增加阵元个数。

3 结束语

测向天线阵在日益复杂的电磁环境中应用日益广泛，特别是对宽带测向阵的需求日益迫切。本文以Vivaldi天线作为测向天线单元作为研究对象，引入了一种微带线到带状线再到槽线的巴伦结构对天线辐射部分进行馈电[17-18]。在兼顾减小馈线间耦合的情况下，方便与射频接头连接。采用全波电磁仿真技术对馈电巴伦及整个天线进行了设计优化，在2～8 GHz频段范围内获得了良好的阻抗匹配和辐射特性。根据设计的天线结构，进行了天线实物的加工测试，给出了具体的测试结果，并与仿真结果进行了对比，结果表明本文的设计方案切实可行。基于微带线-带状线巴伦馈电的Vivaldi天线具有结构简单，成本低、加工方便和频带宽易于安装等优点，可作为测向天线单元的可选方案。