平衡馈电韦尔弟天线研究

1、平衡馈电书尔弟天线研究许庆丰叶素珍（船舶重工集团公司723所，扬州225001）摘要：韦尔第天线（BalancedantipodalVivaldi天线）具有宽频带、宽角的特性，采用带线馈电，易于与微波电路集成，且其体积小，重量轻，易于加工，在电子对抗领域具有很广泛的用途。本文分析了BalancedantipodalVivaldi天线的辐射特性及带宽特性，并将实测结果与理论计算进行了对比。对于E面电场分布的不对称性，给出了一种解决方法，采用该方法后，有效地改善了E面方向图在低频时的不对称性。关键词：宽带，韦尔弟天线，槽线天线ResearchofBalancedAntipodalVivaldiAn

2、tennaXuQingfengYeSuzhen(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)Abstract：Thebalancedantipodalvivaldiantennafedbystriplineisakindofwidebandwide-angleantenna,beingthesmallsizeandlightinweight,andconvenienttobeintegratedwiththemicrowavemodule,ithasthebroadapplicationinECM.Theradiatingpropertyandthef

3、requencybandpropertyoftheantennahavebeenanalyzedandverifiedbymeasuring,furthermoretheunbalancedfielddistributioninEplanehasbeenadjustedinsomeway.Keywords:Wideband;Vivaldi;Taperedslotantenna1引言槽线天线（Taperedslotantenna由于具有宽带、宽角、低交叉极化、易于与微波电路集成等优点而倍受青睐。TSA天线最早由Lewisetal于1974年提出，其后Gibson于1979年也对其进行了研究，并命

4、名其为“Vivaldi传统的TSA天线由渐变张开的槽线印制于微波基片上构成，通常由微带线或带状线馈电。图1TSA天线馈电电路根据其渐变形状的不同，TSA天线分为：线性渐变TSA（LTSA）、线性常数渐变TSA（Linear-constantTSA）、指数线渐变TSA（ExponentialTSA）等。其中指数线张口，微带线馈电的TSA通常被称为Vivaldi天线。这些天线虽然具有较好的宽带、宽角特性，但是在设计时需要一个高效能的带线一槽线转换（如图1）,因此，天线带宽常常受限于馈电电路的性能。而对于AntipodalVivaldi天线（图2）来说，则不存在这个问题。这种天线对传统的Vivald

5、i天线进行了改进，馈电从微带线平滑过渡到双线，然后各自向反方向展开，构成渐变张开的槽线。采用这种馈电形式带宽甚至可以做到40:12。但是，在AntipodalVivaldi天线中，电场是不对称的，高频时其电场会严重倾斜，甚至可以达到90度3,导致很高的交叉极化。因此，更受欢迎的形式是169图2AntipodalVivaldi、BalancedantipodalVivaldi天线及其口面电场分布图4回波损耗（S11）图58GHz、15GHzE面方向图实测与计算比较实测值计算值二-.-.二交叉极化（计算值）图3BalancedantipodalVivaldi天线实物照片Balancedantipo

6、dalVivaldi天线（简称BAV）。这种天线将馈电形式由微带线改成了带状线，其电场上下对称，但其左右电场并不对称，由此而产生的一系列问题将在下面进行讨论。2BalancedantipodalVivaldi天线设计目前，对于该天线并没有太多的设计规则1,大部分工作依赖于数值计算，但可以初步确定一些基本的尺寸。在此，渐变曲线的形状选择椭圆曲线，在2中认为，椭圆曲线的张口可以得到相似的E面和H面波束宽度。对于单个天线来说，开口的宽度决定了频带的最低频率，通常开口应不小于最低频率的二分之一波长，实际并不需要这么大，但天线的总宽度不应过小。端口阻抗取50Q,由此可以确定带状线的线宽。经过初始参数的确

7、立，对其进行了优化设计，并进行了加工，如图3所示。天线实物长度100mm（另有10mm的延伸段，用以改善口面与空气的匹配），宽26.5mm,开口宽度15mm,椭圆渐变段长度57mm。图4图6是实测的回波损耗及E面、H面方向图与计算结果进行的比较。-170图68GHz、15GHzH面方向图实测、计算比较实测值计算值二二一.-.交叉极化（计算值）从上面的回波损耗和方向图计算测试比较结果来看，理论计算与实测结果是相当吻合的。实际的频率只测量到18GHz,从输入回波损耗的计算结果可以看出，该天线在高端还有很大的扩展空间，其宽带特性由此可见。E面和H面的波束宽度比较相似，从而验证了2中关于椭圆曲线的作用

8、的相关论述，到高端18GHz处，E面和H面3dB波束宽度约为40Gb3改进型BalancedantipodalVivaldiL-i!:-15EH;图9E面电场方向图（计算值）图10H面电场方向图（计算值）(脸一和H工12GM：z15UH1由图5进一步分析得到，一般的BAV天线在频率低端，E面方向图最大辐射方向偏离了中心，在低频时可达到20o至300。本文前面已经提到，由于带状线馈电的BAV,其口面处左右电场不对称，导致了方向图的不对称。为此，有必要对原BAV天线进行修正。经过仿真优化计算，在结构上引入了不对称性，借以消除这种E面电场偏头现象。改进后BAV天线模型如图7,计算结果如图8-图10。

9、图7改进型BalancedantipodalVivaldi天线通1比1012141gm宾仙都从图9、图10可以看到，E面电场在低频时的不对称性得到了有效的改进。E面电场在8GHz时，原来最大辐射方向偏移了近30g经过修正后，辐射最大值基本保持在00方向上。12GHz、15GHz原来的偏移角度不大，经过修正后，基本保持了方向图的对称性。H面波束和未修正的BAV天线基本一致，依然保持良好的对称性。4结束语BalancedantipodalVivaldi天线具有频带宽、体积小、重量轻、易于加工等诸多优点，具有很高的应用价值。本文在仿真计算与实测结果高度吻合的基础上，通过不对称结构的引入，对Balan

10、cedantipodalVivaldi天线结构进行重构，在带宽达到三个倍频程的同时，有效地解决了E面波束不对称的问题，使得BalancedantipodalVivaldi天线的性能更加完善。天线图8回波损耗（计算值）参考文献1 HaiFonglee,Advancesinmicrostripandprintedantennas,JohnWiley&Sons,Inc.19972 Langley.J.D.S,BalancedantipodalVivaldiantennaforwidebandwidthphasedarrays,IEEProc.-Microw.Antennaspropag.,-171v

11、ol.143,No.2,April1996,pp.97-102.3 JanPeetersweem.,Broadbandelementarrayonsiderationsforska,PerspectivesonRadioAstronomy:TechnologiesforLargeAntennaArray,pp.597,1999.172Ku波段宽带天线阵列单元设计与研究张伟1梁昌洪1丁同浩2席娟梅1（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，陕西西安710071）12（西安电子科技大学电路CAD研究所，陕西西安710071）摘要：提出了一种Ku波段阶梯形贴片宽带微带天线结构，通过阶梯形切角展

12、宽带宽。有限元全波仿真结果表明该天线在11.95GHz到21.35GHz的频率范围内，电压驻波比VSWRd4mm,高度h=1.57mm,介电常数&=2.2；贴片边长为2a,切角折边长为s;馈电同轴内半径为r=0.65mm,距离介质板边缘距离为x。通过对贴片边长参数a,折边长s以及同轴馈电点位置参数x进行优化可得最佳参数如下：同轴离边缘距离x=2.3mm,贴片尺寸参数a=3.5mm,折边长s=1mm。进一步研究表明，在上述天线贴片上加载一条缝隙可以进一步改善天线的性能，不仅可以减小辐射面积尺寸，而且可以展宽带宽。此处所加缝隙尺寸参数为：宽度g=0.5mm,长度b=1.44mm。位置参数y=1.9

13、1mm。由于在贴片上加载缝隙改变了贴片的阻抗分布，因此同轴馈电点的位置有了些许移动，离边缘距离x=2.2mm,如图1(b)所示。所示。该天线在11.45GHz23.45GHz的频率范围内,驻波比均小于2。(a)正方形贴片天线的VSWR曲线(b)阶梯形切角贴片天线的VSWR曲线(a)阶梯形切角贴片天线结构(c)缝隙阶梯形切角贴片天线的VSWR曲线图23仿真与对比有限元全波仿真得到边长为2a的正方形贴片天线驻波比如图2(a)所示。该天线在12.06GHz13.42GHz的频率范围内，驻波比VSWR2o图2(b)为本文提出的阶梯形切角贴片天线结构的驻波比曲线，该天线的驻波比VSWR2的频率范围为11

14、.95GHz21.35GHz。在阶梯形切角贴片上加载缝隙后，天线的电压驻波比曲线如图2(c)-174将本文两种阶梯形贴片天线与正方形贴片天线带宽性能进行对比，具体数据如表1所示。天线贴片形状G(GHz)f2(GHz)带宽正方形12.0613.4210.7%阶梯形切角11.9521.3556.5%阶梯加载缝隙11.4523.4568.8%表1不同天线参数表由表1可知，正方形贴片天线的带宽(f2-f1)为1.36GHz,阶梯形切角贴片天线带宽为9.4GHz,与正方形贴片天线相比提高了591.2%o加载缝隙后的阶梯形贴片天线带宽为12GHz,与正方形贴片天线相比提高了782.4%。图3分别给出了阶梯形切角贴片天线在12GHz,15GHz