北斗頻段Vivaldi天線的研究與設(shè)計

梁青 董闖 商鋒

摘要：該文設(shè)計了一種應(yīng)用于北斗頻段采用帶狀線巴倫饋電結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線。在天線結(jié)構(gòu)中，加入了短路銷釘，采用橫向扼流槽的結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計了一種微帶、帶狀線之間的轉(zhuǎn)換裝置進行阻抗的匹配，實現(xiàn)了北斗頻段內(nèi)具有穩(wěn)定的半功率波瓣寬度。采用中心饋電，實現(xiàn)了天線方向圖的對稱結(jié)構(gòu)，而采用雙層結(jié)構(gòu)，改善了雙層陣元之間的互耦效應(yīng)。測試結(jié)果顯示北斗頻段內(nèi)駐波匹配良好，增益最大可以達到9dB。

關(guān)鍵詞：Vivaldi；阻抗匹配；帶狀線

中圖分類號：TN822.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）08-0038-03

1引言

指數(shù)漸變天線即Vivaldi天線，是上個世紀(jì)被Gibson等人提出，該天線具有寬帶特性，波束對稱，以及較高增益，尺寸小易加工，因此廣泛應(yīng)用于超寬帶陣列天線之中。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指數(shù)漸變天線，一般采用單面金屬片、不對稱微帶巴倫進行饋電，這就造成了單面金屬片在組陣時，會造成陣元之間的互耦。不對稱的饋電更是造成了方向圖的不對稱。本文設(shè)計的應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的Vivaldi天線，是針對傳統(tǒng)的天線結(jié)構(gòu)進行改進，采用雙面板的金屬貼片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)帶狀線饋電，將饋電中心移至中心位置達到方向圖的結(jié)構(gòu)對稱。

2天線的設(shè)計

2.1傳統(tǒng)Vivaldi天線的設(shè)計

2.2改進型Vivaldi天線的設(shè)計

Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線整體結(jié)構(gòu)采用開放式結(jié)構(gòu)，帶狀線兩面為金屬貼片，饋電位置在介質(zhì)板中間，加人金屬化孔，橫向扼流槽，饋電巴倫來實現(xiàn)天線的匹配。在饋電巴倫中，將四分之波長線變?yōu)樯刃谓Y(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)匹配，改善駐波，實現(xiàn)寬頻帶的匹配，提高天線的耦合效率。扼流槽通過切割電流實現(xiàn)寬帶內(nèi)的匹配。降低陣元之間的耦合度，改善陣列的方向圖。

介質(zhì)板中間設(shè)計了一段阻抗變換微帶線，將阻抗變換到50歐，設(shè)計了同軸、微帶和帶狀線的轉(zhuǎn)換裝置，切掉部分金屬和介質(zhì)基板，既方便了與同軸的連接和固定兩塊介質(zhì)板，又可起到調(diào)節(jié)駐波的作用。

3仿真與加工測試

3.1仿真設(shè)計

本文設(shè)計的Vivaldi天線的示意圖，如圖1所示，天線尺寸見表1所示（單位：mm）。其中帶狀線和金屬輻射器結(jié)構(gòu)為厚度為0.036mm的銅，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為2.65，損耗正切角tanδ=0.004的微波復(fù)合材料。反射板選擇金屬鋁板。

根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)尺寸，利用相應(yīng)材料對天線進行整體結(jié)構(gòu)的建模仿真設(shè)計。如圖3所示。

Vivaldi天線為線極化天線，上圖為天線E面方向圖，從仿真結(jié)果中可以看出天線正前方增益最大可以達到9dB以上，如表2所示。

3.2加工實測

根據(jù)最優(yōu)的仿真結(jié)果表1中的數(shù)據(jù)，進行結(jié)構(gòu)圖的繪制，實物如圖6。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行回波損耗的測量，從測試結(jié)果中得知，在北斗頻點天線匹配良好，|Ssub>11