天线—传统Vivaldi天线的设计方法

天线—传统Vivaldi天线的设计方法

Vivaldi天线是一种独特的超宽带行波天线，广泛应用于无线通信、雷达和射电天文等领域。其独特的指数渐变线结构和端射特性使其在超宽带应用中展现出优异的性能。本文将详细介绍Vivaldi天线的结构组成、辐射原理以及关键设计参数，帮助读者深入了解这种重要的天线技术。

1 概述

Vivaldi天线是锥削槽缝天线(TSA, Tapered Slot Antenna)的一种，区别在于其槽缝处的曲线为指数渐变线。Vivaldi天线是一种端射式超宽带行波天线，被广泛应用于超宽带无限通信、测向、宽带相控阵雷达和射电天文领域。

2 结构组成

传统的Vivaldi 天线的结构由介质基板，馈电结构，辐射结构三部分组成，馈电结构和辐射结构分别位于介质基板的两侧。辐射结构由槽线，指数渐变线，谐振腔组成。馈电结构由扇形微带短截线微带线组成。馈电结构与辐射结构分别位于介质基板的两侧。如下图所示：

Vivaldi天线辐射结构中的槽线为平衡结构，微带线为不平衡结构，在微带线-槽线馈电过程中需要用到巴伦，通过在槽线和微带线耦合点处分别再延伸𝜆/4的枝节实现，目前常用的枝节结构为𝜆/4扇形微带短截线和𝜆/4圆形槽线的形式(如上图所示),由于馈电结构中用到的巴伦与频率有关，带宽𝜆/4长度的限制，同时渐变槽线始端最小宽度不能从零开始，限制了高频处的截止频率，从而导致传统Vivaldi 的带宽受限。

3 辐射原理

Vivaldi天线工作时能量通过微带线耦合到槽线，然后沿着渐变槽线始端流向槽线末端开口方向，Vivaldi 是具有端射特性的行波天线。根据 Vivaldi 天线的辐射原理，槽线宽度大于工作频率的二分之一波长小于二倍波长时，天线才能产生有效辐射。当频率较低时，槽线末端开口宽度不满足大于二分之一波长的辐射条件，此时电磁波被约束在槽线中，天线不辐射。随着频率逐渐升高，当槽线末端开口宽度大于二分之一波长时电磁波开始向外辐射，因此槽线末端的宽度决定低频截止频率。当频率更高，槽线起始端宽度不满足小于二倍波长的辐射条件，此时天线不能有效辐射，因此槽线起始端的宽度决定高频截止频率。通过增大槽线末端的开口宽度可以拓展低频截止频率，但是因为尺寸的限制槽线末端开口宽度不能过大，所以低频截止频率拓展受限；通过减小槽线起始端的宽度让它无限接近于零可以拓展高频截止频率，但因为传统 Vivaldi采用微带线转槽线的馈电结构，考虑到匹配的问题，渐变槽线的起始端不能无限接近于零，高频截止频率拓展受限。因此槽线末端最大开口宽度决定低频截止频率，槽线始端最小开口宽度决定高频截止频率。

Vivaldi槽线曲线公式如下：
根据起始点(x1,y1)，(x2,y2),可以计算出C1和C2值

4 参数选取

一般经验

a)最大口径一般应大于等于最低工作频率的半波长；

b)指数段长度一般应大于等于最低工作频率的一个波长；

c)提升指数段的长度能够提升增益；

d)基板的相对介电常数不能太大，太大虽然能够降低尺寸，但同时也降低了带宽；

e)基板的厚度不能太厚，太厚会产生表面波，会产生一些寄生辐射；

f)降低(提升)槽线的宽度，能够降低(提升)输入阻抗；

g)谐振腔的直径尺寸大约是槽线导波波长的四分之一；

h)扇形微带短截线的半径大概是微带线导波波长的四分之一。