摘 要：Vivaldi天線是目前应用最广泛、研究最多的一种超宽带阵列天线单元，该天线的基本原理是通过传输线的结构渐变实现电磁波从射频传输线到自由空间的模式转换及相应的阻抗变换。Vivaldi天线的优点是带宽较宽、宽角扫描潜力大，缺点是剖面较高，一般为低频波长的1/4。本文设计了一种低剖面的Vivaldi天线，将高度降低到了低频波长的1/6。
关键词：低剖面；Vivaldi天线
中图分类号：TN822+.8 文献标识码：A 文章编号： 2095-8595 （2017） 03-061-003
电子科学技术 URL： http：//.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.03.015
引言
随着技术的不断发展，雷达、电子对抗、通信等系统对天线提出了越来越多的要求[1-3]。为了减小天线对飞机、卫星等平台机动性能的影响，需要天线具有低剖面特性；同时，由于机载、星载等平台的空间有限，希望用一副天线实现雷达、电子对抗、通信等多种功能，这就需要天线具有较宽的工作带宽。近年来，低剖面、超宽带天线引起了越来越多的关注[5-8]。
Vivaldi天线是目前应用最广泛、研究最多的一种超宽带阵列天线单元。Vivaldi天线是一种行波天线，没有固定的相位中心，随着频率变化，天线的相位中心也随之改变[2]。对于Vivaldi天线来说，缝隙的初始端辐射高频电磁能量，缝隙的末端辐射低频电磁能量，从而实现较宽的工作带宽。Vivaldi天线的优点是带宽较宽、宽角扫描潜力大，缺点是剖面较高，一般为低频波长的1/4。
本文设计了一种低剖面的Vivaldi天线，将高度降低到了低频波长的1/6。并对这种天线的辐射特性进行了研究，得到了天线单元的驻波和增益特性，进而对阵列天线的扫描特性进行了分析。
1 天线模型
本文设计的Vivaldi天线宽度W=75mm，高度L=50mm，天线采用Rogers RT/duroid 5880材料作为基板，基板两面覆铜，一面为含渐变缝隙的辐射部分，一面为馈电部分，如图1所示。
2 天线性能分析
采用HFSS对如图1所示的Vivaldi天线进行了仿真，天线频率为1～2GHz，最终得到的天线尺寸为75mm×75mm×50mm，Vivaldi天线剖面高度一般为低频波长的1/4，即75mm，而本文设计的Vivaldi天线剖面高度较低，仅为低频波长的1/6。
2.1 天线单元性能
图2给出了不扫描时天线的驻波系数曲线，可以看到，天线驻波系数都小于2.6。
图3给出了在0°～60°扫描情况下，天线的驻波系数。可以看到，扫描情况下的驻波均小于2.7。
天线增益曲线如图4所示，由图4可以看到，增益曲线比较平滑，1GHz时增益最小，为-1.75dB，2GHz时增益最大，为4.49dB。
2.2 阵列性能
本文对32×32的阵列进行了仿真，结果如图5、表1所示。可以看到，随着扫描角增大，天线增益下降、波束宽度变宽、副瓣电平抬高。扫描0°时，增益为35.1dB，波束宽度为2.96°，最大副瓣电平为-13.3dB；扫描30°时，增益下降了1.6dB，波束宽度为3.5°，最大副瓣电平抬高到-12.7dB；扫描60°时，增益下降了5.5dB，波束宽度展宽到6.25°，最大副瓣电平为-11.8dB。
3 结论
本文设计了一种低剖面的Vivaldi天线，将高度降低到了低频波长的1/6。Vivaldi天线剖面高度一般为低频波长的1/4，本文设计的Vivaldi高度仅为一般Vivaldi天线的2/3。这对于降低天线剖面高度、实现天线的小型化具有重要意义，而天线剖面高度的降低对于减少天线对平台机动性能的影响、降低天线重量、减小天线对平台其它设备性能的影响具有重要意义。
参考文献
[1]M. Mikavica， B.M. Kolundzjia， et al， A novel broadband printed antenna element， IEEE Trans. Antennas Propagat.，2004.
[2]李晋阳.基于加载方法的小型化Vivaldi天线研究[D].西安电子科技大学，2010.
[3]郑灵，曹军.一种新型超宽带平面天线的研究[D].2015年全国微波毫米波会议，2015.
[4]J. J. Lee， S. Livingston， R. Koenig， A low profile wide-band （5：1） dual-pol array[D].IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett.， 2003.
[5]B. Munk， R. Taylor， T. Durham， A low-profile broband phasedarray antenna[D].IEEE AP-S Int. Symp. 2003.
[6]E.Brookner，Practical phased-array antenna systems[D].Artech House， London， 1991.
[7]K. K. Chan， B. T. Peng， H. K. Oh， and Y. B. Gan， Design of a compact and light weight wideband dual-polarized VHF-UHF array[D].IEEE AP-S Int. Symp，Texas， 2002.
[8]B. G. Duffly， G. A. Morin， Y. M. Antra， A wide-band printed double-sided dipole array[D].IEEE Trans. Antennas Propagat.， 2004.