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摘要

自由空间中全金属Vivaldi天线

阵列环境中的全金属Vivaldi天线

全金属Vivaldi天线阵列设计

设计

槽线设计

反射腔设计

指数渐变线槽口设计

参考文献

摘要

全金属 Vivaldi 天线单元为宽频带单元，其在自由空间中孤立单元的特性与构成阵列的阵元的特性是不同的。

自由空间中全金属Vivaldi天线

当全金属 Vivaldi 天线作为孤立的天线单元存在时，其宽频带特性主要依赖于指数形开口的宽度

理论上，指数形开口末端的宽度越大，天线单元可工作的频率越低

因此孤立空间中的 Vivaldi 单元横向的尺寸都比较大。

①★指数型喇叭开口末端的宽度一般设置为自由空间中最低工作频率对应波长的一半

②★指数形开口的深度决定了天线的带宽，开槽的深度接近于天线工作最低频率时对应波长的1/4

③★天线的厚度一般为中心频率对应的5/32λ0 

阵列环境中的全金属Vivaldi天线

★而当 Vivaldi 单元作为阵元组成阵列时

根据阵列天线理论，为了避免出现栅瓣，阵列间的间距要小于天线工作最高频率对应波长的一半

即天线单元的宽度接近于 0.5*λh ，受到天线宽度的限制

原因：指数形喇叭开口末端的宽度也远小于天线工作低端频率的半波长度，此时，Vivaldi 阵列在低频段的辐射主要依赖于相邻阵元之间强烈的互耦，当相邻的若干个 Vivaldi 单元的宽度之和等于某一频率波长的一半时，可以将这些单元看做一个大的单元，实现在该频点的辐射。

因此，在对阵列单元进行仿真时，需要对阵列单元的边界条件进行设置，以此来模拟阵列环境。

通常是设置为周期边界条件

在CST中的Boundary中可以直接对单元设置周期边界

而在HFSS中可以用主从边界条件来模拟周期边界条件

全金属Vivaldi天线阵列设计

组阵时需要考虑vivaldi天线阵列的截断效应，截断效应会对阵列边缘的阵元的阻抗和方向图特性产生重要影响

图a中位于中间的阵元，受到上下左右四个方向的耦合是和位于无限阵列中的阵元是一样的，因此中间的阵元受到截断效应较小，这些阵元的有源特性也与无线阵列中的阵元的有源特性最为接近。

图b和图c中位于边缘和角落的阵元，阵列周期性在这里发生了截断，这些阵元仅能受到来自三个方向或两个方向上其他阵元的耦合，从而导致了其有源阻抗和有源方向图发生了改变，这就是有限阵列的截断效应。

Notes：

当阵元数目大于 7 时，便可认为阵列中心单元的阻抗特性与无线阵列中的单元阻抗特性近似。

结论：

(1) 阵列规模越大，截断效应对于阵列中间阵元的影响越小，中间阵元的有源阻抗特性越趋近于无限阵列阵元的阻抗特性。但是边缘单元受截断效应的影响不会随阵列规模的变化而变化。

(2) 截断效应仅会对位于阵列边缘的 1-2 个阵元产生比较显著的影响，对于阵列中间的单元影响并不明显。

处理截断效应的解决方案：

在进行有限阵列设计时，需要对边缘阵元进行一定的处理，从而削弱边缘阶段效应。

两种方法进行边缘处理：

(1)虚元法

虚元的作用一是增大了阵列规模，二是为阵列边缘的单元模拟一个阵列环境。在工作时，原来的位于五元阵边缘的单元可以受到来自两个方向的相邻阵元的互耦，而此时的截断效应则主要作用于虚元上，从而削弱截断效益对阵列实际工作的阵元的影响

(2)波纹结构(Corrugation Structure)边缘

位于阵列边缘的阵元在低频段的辐射特性较差

因此考虑在边缘阵元上加载波纹结构，改变了金属表面的电流流向，以此改善其低频段的辐射特性

在孤立 Vivaldi 天线单元两侧金属板的边缘开一定数量的槽

槽的长度一般对应天线低频波长的1/4

槽的存在使得原本沿金属边沿流动的电流产生了曲流效应，电流转而沿槽的边沿流动。

槽线两侧电长度之和近似于λ/2，从而增强了天线在低频段上的辐射

但是由于金属槽的长度是一个离散的序列，导致在低频段区域的有源驻波比曲线上出现了许多毛刺

★阵列设计中在低频段低增益的原因是什么？

考虑 Vivaldi 阵列的工作原理，

当天线工作在低频段时，

其辐射主要依赖于相邻阵元之间的强烈耦合，由相邻的若干个单元同时等效为一个阵元形成辐射

因此在低频段，对于单个天线单元来说，其增益不会很高

而当天线工作在高频段时，

阵列的工作原理与一般的相控阵天线相同，因此在高频段，单个天线的增益可以达到较高的值

互藕强度的差异

总的来说，Vivaldi 阵列的截断效应对位于阵列最边缘的阵元的影响最为显著，对位于阵列中不同位置的阵元影响不同，但差异不大。

因为阵元间的互耦效应与阵元间的距离有关，阵列中，相邻两个阵元之间的互耦最强烈，距离较远时，虽然也存在互耦的影响，但与相邻单元之间的互耦相比，幅度相差可达几个量级。 

设计

金属Vivaldi天线设计包含三部分：槽线、反射腔和指数型渐变线开口

①其中槽线和反射腔的尺寸主要影响天线与同轴接口的匹配性，与天线所处的环境无关，

因此这一部分的设计要在自由空间的环境下进行，

②而指数形开口的尺寸与形式则影响了天线的带宽，

因此对于这一部分的设计则要基于周期结构进行。 

槽线设计

在设计时，可以将与同轴线连接部分的槽线看作平行板波导。

平行板波导的阻抗是由平行板波导的上下板间距及平行板的宽度决定的，

因此通过调节槽线的宽度Ws和金属板的厚度 t ，就能调节槽线结构的阻抗，

从而实现同轴线与槽线的匹配。

结论：槽线的输入阻抗与金属板的厚度成反比，与槽线的宽度成正比

反射腔设计

反射腔的作用：在槽线一侧形成一个开路结构，将电磁能量沿槽线反射，从而提高槽线的传导效率

原则：反射腔对于低频段的阻抗影响较为明显，

空腔的尺寸越小，低频段的阻抗值越小，导致低频端驻波比系数较高。

总体上，空腔尺寸越大，天线的阻抗性能约好，但是受天线尺寸影响，

空腔尺寸亦不能过大，否则空腔左侧金属壁过薄，天线结构不够牢固。（反射腔的长度和宽度）

反射腔相对于槽线的位置----L0为槽线中心与反射腔中心的间距

反射腔与槽线连接部分的位置对腔内的场会有着重要的影响。

当槽线中心偏离反射腔中心时，在高频段部分的驻波比有所恶化。

原因：当槽线位于反射腔中心时，腔体内的场是对称的，

而当槽线偏离时，会在腔内引起额外的谐振，从而导致阻抗性能的恶化。 

指数渐变线槽口设计

指数形喇叭的开口需要在周期环境下进行设计。

指数形开口尺寸的决定因素有三个：开口末端的宽度Wa ，开口深度Lnotch 和开口率 R 。

在阵列环境中，为避免栅瓣，开口末端的宽度Wa被限定为最高频波长的一半

当指数形开口深度为最低频率波长的四分之一长度时，天线在低频端具有最好的匹配特性。

合理选择喇叭形开口的开口率，

令天线在低频段获得良好的阻抗，且在工作频带范围内，阻抗值在正常水平波动

参考文献

马鑫. 超宽带全金属Vivaldi阵列天线研究[D].国防科技大学,2018.DOI:10.27052/d.cnki.gzjgu.2018.001078.