基于Vivaldi的超寬帶低剖面天線設計
電子技術應用
郭德嘉1，2，孫慧峰1，2
1.中國科學院 空天信息創新研究院；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院
摘要： 針對超寬帶小型化雷達系統的需求背景，設計了一款通過交趾耦合形成天線間緊耦合結構的超寬帶低剖面陣列天線。該陣列天線單元首先在傳統Vivaldi天線結構上增設了一對帶圓形腔體的弧形槽，從而使傳統Vivaldi天線頂端呈現類似偶極子輻射結構的形態；然后通過采用交趾耦合結構起到天線間緊耦合作用，明顯降低了天線的整體剖面高度；接下來在天線單元上層引入介質匹配層，進一步改善了匹配效果。仿真結果表明：設計的陣列天線在2.5~15 GHz工作頻段內，其駐波比均小于2，12×12天線陣列最大增益大于20 dB，陣列天線單元剖面高度僅為15 mm（0.125倍低頻波長）。因此，設計的天線在保證超寬帶性能下還大大降低了天線的剖面高度，具有較高的工程應用價值。
中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A DOI:
中文引用格式： 郭德嘉，孫慧峰. 基于Vivaldi的超寬帶低剖面天線設計[J]. 電子技術應用，2024，50(6)：52-56.
英文引用格式： Guo Dejia，Sun Huifeng. Design of ultra-wideband low-profile antenna based on Vivaldi[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(6)：52-56.
中文引用格式： 郭德嘉，孫慧峰. 基于Vivaldi的超寬帶低剖面天線設計[J]. 電子技術應用，2024，50(6)：52-56.
英文引用格式： Guo Dejia，Sun Huifeng. Design of ultra-wideband low-profile antenna based on Vivaldi[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(6)：52-56.
Design of ultra-wideband low-profile antenna based on Vivaldi
Guo Dejia1，2，Sun Huifeng1，2
1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences；2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences
Abstract： In response to the demand for miniaturized ultra-wideband radar systems, a novel ultra-wideband low-profile antenna array is designed with close coupling between antenna elements achieved through a cross-coupling structure. The proposed array antenna unit enhances the traditional Vivaldi antenna structure by introducing a pair of arc-shaped slots with circular cavities, giving it a dipole-like radiation pattern at the top of the Vivaldi antenna. The cross-coupling structure is employed to achieve tight coupling between the antenna elements, significantly reducing the overall profile height of the antenna. Additionally, a dielectric matching layer is introduced on top of the antenna unit to further improve the matching performance. Simulation results demonstrate that the designed array antenna exhibits a standing wave ratio of less than 2 across the 2.6 GHz to 15 GHz frequency range. The maximum gain of the 12×12 antenna array exceeds 20 dB, while the profile height of the array antenna unit is merely 15 mm (0.125 times the low-frequency wavelength). Hence, this antenna design not only meets the requirements of ultra-wideband performance but also greatly reduces the profile height of the antenna, offering significant engineering applications.
Key words : ultra-wideband；low profile；tightly coupled；Vivaldi antenna
引言
隨著當前軍事技術的飛速發展以及無線通信應用領域的不斷拓展，陣列天線廣泛地應用于飛機、導彈、衛星等相應特定載體的雷達系統中[1]。這些雷達系統不滿足于單一的探測或通信功能，希望能夠盡可能多地實現偵察、干擾、探測、通信等功能的組合[2-5]，這對雷達天線帶寬提出了很高的要求。功能增多，雷達系統復雜度也隨之增加，由于受到立體空間的限制，如何實現雷達前端天線小型化成為了雷達設計需要解決的另一個關鍵性問題。傳統Vivaldi天線頻帶寬，但是剖面較高[6-9]，不利于雷達系統小型化，滿足不了實際工程應用需求。
為了應對上述提出的帶寬需要達到超寬帶、低剖面、易共形的天線設計要求，設計了一款基于傳統Vivaldi天線緊耦合形式的超寬帶低剖面天線，其帶寬能達到約6個倍頻程，剖面高度為15 mm（0.125，為低頻波長），其結構簡單，可以采用印刷線路板加工方式，加工難度低[10]，實際應用前景廣泛。
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作者信息：
郭德嘉1，2，孫慧峰1，2
（1.中國科學院 空天信息創新研究院，北京 100094；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049）
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