《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Vivaldi的超寬帶低剖面天線設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
郭德嘉1，2，孫慧峰1，2
1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院
摘要： 針對(duì)超寬帶小型化雷達(dá)系統(tǒng)的需求背景，設(shè)計(jì)了一款通過(guò)交趾耦合形成天線間緊耦合結(jié)構(gòu)的超寬帶低剖面陣列天線。該陣列天線單元首先在傳統(tǒng)Vivaldi天線結(jié)構(gòu)上增設(shè)了一對(duì)帶圓形腔體的弧形槽，從而使傳統(tǒng)Vivaldi天線頂端呈現(xiàn)類似偶極子輻射結(jié)構(gòu)的形態(tài)；然后通過(guò)采用交趾耦合結(jié)構(gòu)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(lái)在天線單元上層引入介質(zhì)匹配層，進(jìn)一步改善了匹配效果。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的陣列天線在2.5~15 GHz工作頻段內(nèi)，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(zhǎng)）。因此，設(shè)計(jì)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(yīng)用價(jià)值。
中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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(dāng)前軍事技術(shù)的飛速發(fā)展以及無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，陣列天線廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等相應(yīng)特定載體的雷達(dá)系統(tǒng)中[1]。這些雷達(dá)系統(tǒng)不滿足于單一的探測(cè)或通信功能，希望能夠盡可能多地實(shí)現(xiàn)偵察、干擾、探測(cè)、通信等功能的組合[2-5]，這對(duì)雷達(dá)天線帶寬提出了很高的要求。功能增多，雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜度也隨之增加，由于受到立體空間的限制，如何實(shí)現(xiàn)雷達(dá)前端天線小型化成為了雷達(dá)設(shè)計(jì)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。傳統(tǒng)Vivaldi天線頻帶寬，但是剖面較高[6-9]，不利于雷達(dá)系統(tǒng)小型化，滿足不了實(shí)際工程應(yīng)用需求。

為了應(yīng)對(duì)上述提出的帶寬需要達(dá)到超寬帶、低剖面、易共形的天線設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款基于傳統(tǒng)Vivaldi天線緊耦合形式的超寬帶低剖面天線，其帶寬能達(dá)到約6個(gè)倍頻程，剖面高度為15 mm（0.125，為低頻波長(zhǎng)），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以采用印刷線路板加工方式，加工難度低[10]，實(shí)際應(yīng)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(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）


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