北斗频段Vivaldi天线的研究与设计

梁青 董闯 商锋

摘要：该文设计了一种应用于北斗频段采用带状线巴伦馈电结构的Vivaldi天线。在天线结构中，加入了短路销钉，采用横向扼流槽的结构，同时设计了一种微带、带状线之间的转换装置进行阻抗的匹配，实现了北斗频段内具有稳定的半功率波瓣宽度。采用中心馈电，实现了天线方向图的对称结构，而采用双层结构，改善了双层阵元之间的互耦效应。测试结果显示北斗频段内驻波匹配良好，增益最大可以达到9dB。

关键词：Vivaldi；阻抗匹配；带状线

中图分类号：TN822.8 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0038-03

1引言

指数渐变天线即Vivaldi天线，是上个世纪被Gibson等人提出，该天线具有宽带特性，波束对称，以及较高增益，尺寸小易加工，因此广泛应用于超宽带阵列天线之中。

传统结构的指数渐变天线，一般采用单面金属片、不对称微带巴伦进行馈电，这就造成了单面金属片在组阵时，会造成阵元之间的互耦。不对称的馈电更是造成了方向图的不对称。本文设计的应用于北斗导航系统的Vivaldi天线，是针对传统的天线结构进行改进，采用双面板的金属贴片结构实现带状线馈电，将馈电中心移至中心位置达到方向图的结构对称。

2天线的设计

2.1传统Vivaldi天线的设计

2.2改进型Vivaldi天线的设计

Vivaldi天线的结构如图1所示，天线整体结构采用开放式结构，带状线两面为金属贴片，馈电位置在介质板中间，加人金属化孔，横向扼流槽，馈电巴伦来实现天线的匹配。在馈电巴伦中，将四分之波长线变为扇形结构来调节匹配，改善驻波，实现宽频带的匹配，提高天线的耦合效率。扼流槽通过切割电流实现宽带内的匹配。降低阵元之间的耦合度，改善阵列的方向图。

介质板中间设计了一段阻抗变换微带线，将阻抗变换到50欧，设计了同轴、微带和带状线的转换装置，切掉部分金属和介质基板，既方便了与同轴的连接和固定两块介质板，又可起到调节驻波的作用。

3仿真与加工测试

3.1仿真设计

本文设计的Vivaldi天线的示意图，如图1所示，天线尺寸见表1所示（单位：mm）。其中带状线和金属辐射器结构为厚度为0.036mm的铜，介质基板采用介电常数为2.65，损耗正切角tanδ=0.004的微波复合材料。反射板选择金属铝板。

根据天线的结构尺寸，利用相应材料对天线进行整体结构的建模仿真设计。如图3所示。

Vivaldi天线为线极化天线，上图为天线E面方向图，从仿真结果中可以看出天线正前方增益最大可以达到9dB以上，如表2所示。

3.2加工实测

根据最优的仿真结果表1中的数据，进行结构图的绘制，实物如图6。利用矢量网络分析仪进行回波损耗的測量，从测试结果中得知，在北斗频点天线匹配良好，|Ssub>11