一种基于微带线-共面带状线巴伦馈电的Vivaldi天线研究
宋立众 姚国国 霍纪兵
摘 要：本文研究了一种基于微带线-共面带状线巴伦馈电的Vivaldi天线。 采用单层介质基板， 设计了一种微带线-槽线-共面带状线的巴伦结构， 天线辐射部分采用指数渐变的Vivaldi天线， 设计的馈电巴伦和天线辐射结构方便连接， 整个天线具有结构简单、 易于设计的优点。 采用全波电磁仿真技术， 对微带线-共面带状线巴伦进行优化设计， 使之满足天线辐射器的阻抗匹配要求。 仿真结果表明， 在2.5～3 GHz的频率范围内， 设计的天线回波损耗约小于-10 dB， 增益大于4 dBi， 具有较高的效率。 对设计的天线进行了加工和测试， 结果表明了设计的有效性。 本文设计的Vivaldi天线可用作相控阵天线的单元， 具有实际工程意义。
关键词： Vivaldi天线; 巴伦; 天线仿真; 宽波束; 方向图; 回波损耗
中图分类号：TJ765.3+31; TN821文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2018）05-0058-05[SQ0]
0 引言
随着电子技术的快速发展， 相控阵天线和数字阵列天线日益获得广泛应用， 代表着未来天线技术领域的发展趋势[1-2]。 近年来， 相控阵天线的研究热点包括宽角扫描、 宽频带、 双极化和低成本等方面[3-4]。 在导弹雷达导引头领域， 相控阵天线和数字阵列天线将有望替代传统的机械扫描的天线系统， 可以预期， 由于相控阵雷达导引头具有作用距离远、 探测精度高、 波束扫描灵活和抗干扰能力强等优点， 将在精确制导领域成为主流[5-6]。 相控阵天线或数字阵列天线要求天线单元具有宽波束扫描能力和良好的机械结构可靠性， 同时， 对于庞大的天线阵列而言， 还需要保证天线单元具有结构简单、 易于设计和成本低廉的特点。
Vivaldi天线是一种渐变缝隙结构的天线形式， 由于其具有宽频带、 宽波束和性能稳定等优点[7-8]， 已成为十分常用的相控阵天线单元。 同时， Vivaldi天线设计灵活， 通过改进设计， 可实现双极化、 与载体共形和可重构等性能， 因此， Vivaldi天线是一种适合于工程应用的天线类型， 有实际应用价值[9-10]。 在Vivaldi天线的设计中， 馈电结构是一个重要环节， 其作用是完成馈电的同轴线到辐射器的阻抗匹配， 实现高效率的能量传输， 获得预期的辐射方向图。 在从不平衡的同轴线到平衡的辐射器输入端口之间， 通常需要加入不平衡到平衡的转换器， 即巴伦（balun）， 其作用是在实现信号的不平衡到平衡的转换的同时，还能获
得阻抗变换的效果[11-12]。 在印刷天线设计中， 常用的巴伦形式有微带线-共面带状线巴伦、 共面波导（CPW）-共面带状线巴伦等。 本文研究一种微带线-槽线-共面带状线的印刷巴伦结构， 采用单层介质基板实现该巴伦方案， 结构简单， 易于实现;基于该微带线-共面带状线巴伦， 设计了一种平衡式Vivaldi天线结构， 对天线进行了全波电磁仿真和优化， 开展了天线加工和实验测试工作， 研究结果表明了该天线设计方案的可行性。
1 微带线-共面带状线转换巴伦的结构设计与仿真
本文采用的巴伦形式为微带线到共面带状线转换的单层介质基板印刷巴伦， 如图1所示。 微带线便于与同轴电缆连接， 微带线通过电磁耦合方式转换为槽线， 再通过槽线转换为共面带状线， 共面带状线直接与天线辐射器连接， 辐射器为对称结构。 介质板选择常用的FR4， 厚度为1 mm， 金属铜箔厚度为0.036 mm。 在介质基板的微带线一侧， 微带线一端与同轴电缆连接， 另一端加载一个方形的枝节， 调整阻抗匹配性能， 边长为ee;在微带线中加入一小段连续阻抗变换端， 以进一步实现阻抗变换。 在金属地板一侧， 槽线两端引入方形腔体， 边长为ff， 可用来调整阻抗， 实现微带线与槽线之间的良好耦合。
通过结构优化和仿真， 设计确定的参数值为： bb=8 mm， cc=10 mm， ee=6 mm， ff=5 mm。 仿真得到的巴伦端口的VSWR和传输系数如图2所示。 端口1定义为微带线端口， 端口2定义为共面带状线端口， 端口2的特性阻抗约为150 Ω。 可以看出， 在2.5～3 GHz范围内， 两个端口的回波损耗均低于-10 dB， 插入损耗在0和-1 dB之间。
图3～4分別为设计的微带线到共面带状线转换的印刷巴伦性能随着参数ee和ff变化的仿真曲线。 从图3可以看出， 当方形枝节的尺寸在ee=6 mm时， 两个端口的回波损耗和插入衰减均能满足要求;当方形枝节尺寸较小时， 两个端口的匹配性能下降， 插入损耗较大;当方形枝节尺寸为10 mm时， 在工作频带内， 端口1的回波损耗和巴伦的插入损耗发生明显变化， 端口2的回波损耗变化不大。
从图4可以看出， 当槽线谐振腔的尺寸在ff=5 mm时， 两个端口的回波损耗和插入衰减均能满足要求。
2 微带线-共面带状线馈电Vivaldi天线的设计与仿真
将上述设计的微带线-共面带状线印刷巴伦与印刷Vivaldi辐射器直接连接， 形成对称结构的天线整体结构， 巴伦的CPS端口的特性阻抗与辐射器的输入阻抗实现匹配。 设计的天线整体结构如图5所示。 天线辐射器的边缘采用了两个指数函数曲线， 其方程为
x=aery（1）
式中： a和r为常数， 用来控制指数曲线的形状和尺寸。
对上述设计的Vivaldi天线进行全波电磁仿真， 得到回波损耗的仿真结果如图6所示。 可以看出， 在2.5～3 GHz范围内的平均回波损耗约为-10 dB， 相对带宽约为18%;在2.2～3.2 GHz范围内， 回波损耗约小于-8.2 dB， 相对带宽约为37%;该天线具有相对较宽的阻抗带宽， 对于常见的数字阵列天线或相控阵天线可以满足要求。
图7～8分别给出了设计的微带线-共面带状线印刷巴伦馈电Vivaldi天线在频率为2.5 GHz和3 GHz时的辐射方向图仿真结果。 此处给出的是
xoy面和yoz面的方向图， 其中xoy面是E面， yoz面是H面。 在频率为2.5 GHz时， 天线的增益约为4.5 dBi， E面和H面的波束宽度分别约为103°和160°;在频率为3 GHz时， 天线的增益约为4.4 dBi， E面和H面的波束宽度分别约为81°和103°。
3 微带线-共面带状线馈电Vivaldi天线的实验研究
根据设计的微带线-共面带状线印刷巴伦馈电Vivaldi天线结构和尺寸， 加工了天线原理样机， 照片如图9所示。 测试的天线在输入端口上的回波损耗测试曲线如图10所示。 测试结果表明， 在2.5～3 GHz范围内， 加工的Vivaldi天线的回波损耗约小于-10 dB， 在2.5 GHz和3 GHz频点上的回波损耗均小于-15 dB。 本文所加工的天线的回波损耗测试结果与仿真结果相接近。
在此给出两个频率上的天线辐射方向图测试数据结果。 在2.5 GHz和3 GHz处， 测试的天线辐射方向图分别如图11～12所示， 同样， 对于每一个频率， 分别给出了E面和H面的方向图数据结果。 该天线形成了预期的辐射方向图， 增益略低于仿真结果， 方向图发生一定的波动和起伏， 这是由于加工误差和测试误差引起的。
4 结论
数字天线阵列和相控阵天线已成为天线研究领域的发展方向， 天线单元是天线阵列设计中的关键环节。 本文以Vivaldi天线作为辐射器， 引入一种微带线到共面带状线的巴伦结构对天线辐射器进行馈电， 二者之间可方便进行连接， 易于实现阻抗匹配。 采用全波电磁仿真技术对设计的天线结构进行优化， 在2.5～3 GHz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， 进行了天线的加工和测试工作， 给出了具体的测试结果， 研究结果表明了本文设计方案的可行性。 基于微带线-共面带状线巴伦馈电的Vivaldi天线具有结构简单、 成本低廉、 加工方便和辐射效率高等优点， 可作为相控阵天线单元的可选方案。
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Research on a Vivaldi Antenna Fed by a
Microstrip Coplanar Strip Balun
Song Lizhong1， Yao Guoguo2， 3， Huo Jibing1
（1. School of Information Science and Engineering， Harbin Institute of Technology at Weihai， Weihai264209， China;
2. China Airborne Missile Academy， Luoyang， Luoyang 471009， China;
3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons， Luoyang 471009， China）
Abstract： A kind of Vivaldi antenna fed by a microstrip coplanar strip （CPS） balun is researched. A microstrip to slot line to CPS balun is designed by using a single layer substrate. The antenna radiator adopts a exponentially tapered Vivaldi antenna. The designed balun and antenna radiation structure are easily connected， and the whole antenna has the advantages of simple structure and easy design. The microstrip CPS balun is designed and optimized through the full wave electromagnetic simulation technique， which can realize the impedance matching with the antenna radiator. The simulation results reveal that the return loss of designed antenna is less than -10 dB， the gain is higher than 4 dBi， and the high efficiency is achieved within the frequency range from 2.5 GHz to 3 GHz. The designed antenna is fabricated and tested， and the experimental results indicate that the designis effective. The designed Vivaldi antenna can be used as the element of the phased array antenna， which is meaningful in Engineering.
Key words：Vivaldi antenna; balun;antenna simulation; wide beam; pattern; return loss
