基于慢波结构与电阻加载的高性能小型化超宽带Vivaldi天线设计

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：An Electrically Highly Compact Ultra-Wideband Vivaldi Antenna With Substantial Gain Performance

本文针对超宽带成像系统对天线小型化、高增益的迫切需求，报道了一种采用新型孔径调制与电阻加载技术的电小尺寸Vivaldi天线。研究人员通过嵌入慢波结构(SWS)的渐变槽线实现电流路径延展，结合基于传输线模型的电阻加载方法，在0.21λ0×0.15λ0的紧凑尺寸下实现了0.36-15 GHz超宽带工作，平均增益达7.01 dBi。该设计解决了传统小型化天线带宽与增益相互制约的难题，在探地雷达(GPR)成像实验中成功实现对埋地钢筋的精确探测，为轻量化高分辨率UWB系统提供了关键技术支撑。

　　

随着无人机载雷达、探地雷达等轻量化超宽带系统的快速发展，对天线小型化提出了前所未有的高要求。传统天线在尺寸缩小时往往面临带宽骤减和增益下降的双重挑战，特别是Vivaldi这类端射型天线，虽然具有高隔离度和低雷达截面的优势，但如何在其固有尺寸基础上实现大幅缩减同时保持优良性能，成为学术界与工业界共同关注的焦点。

在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》最新发表的研究中，由Ababil Hossain领衔的研究团队成功开发了一种电小尺寸超宽带Vivaldi天线，通过创新的孔径调制技术和电阻加载机制，实现了接近70%的尺寸缩减，同时保持了0.36-15 GHz的宽频带工作和7.01 dBi的平均增益。

研究团队采用多技术融合的创新路径，主要包括：基于传输线模型的终端电阻加载技术，通过五颗150Ω芯片电阻实现44%的尺寸缩减；渐变槽线(TS)与慢波结构(SWS)组合的孔径调制方法，通过13个倾斜68°的狭缝阵列延长电流路径；微波吸收材料(MAMs)与金属波纹结构结合，有效抑制慢波结构带来的回波损耗纹波和增益凹陷；指数渐变耦合线巴伦设计，改善低频段方向图倾斜问题。所有设计在CST电磁仿真软件中进行优化，并基于RT/duroid5880介质板制作实物验证。

设计进展与参数优化

通过系统性的参数优化过程，研究人员逐步揭示了各技术对天线性能的影响规律。渐变槽线的引入使低频截止频率从1.13 GHz降至798 MHz，同时通过增强局部电流密度提升了增益性能。慢波结构的加入进一步将截止频率推至666 MHz，但同时也带来了非线性效应和带隙问题，导致0.77 GHz、1.72 GHz和2.71 GHz处出现回波损耗纹波和增益凹陷。

电阻加载机制的研究尤为深入，团队通过建立传输线模型揭示了Vivaldi天线在0.76 GHz处的反谐振现象，并证明150Ω电阻值能最优地将输入阻抗峰值从300Ω降至150Ω，实现阻抗匹配优化。这种新颖的电阻加载方法不仅将低频截止频率进一步降至432 MHz，而且避免了传统电阻加载天线在高频段的增益损失。

微波吸收材料与波纹结构

微波吸收材料(Eccosorb AN-79)的应用有效解决了慢波结构带来的负面影响。如图10所示，MAMs使回波损耗纹波显著平滑，并将截止频率微调至405 MHz。更重要的是，MAMs通过抑制边缘反射，将天线方向图从 distorted pattern 修正为规整的端射方向图，在0.77 GHz和2.71 GHz处分别消除了明显的旁瓣和后瓣。

指数渐变耦合线巴伦

研究团队开发的新型巴伦结构在相同尺寸下相比传统巴伦展现出显著优势。测量数据显示，在0.8-2.5 GHz频段内，方向图倾斜改善幅度达8°-17°，端射增益提升0.21-0.89 dB。这种改进源于巴伦底部层两个矩形平行槽引入的附加并联电容，有效维持了差分输出端口接近180°的相位差。

加工与测量结果

天线实物尺寸为177 mm×127 mm×1.57 mm，对应最低工作频率360 MHz的电尺寸仅为0.21λ₀×0.15λ₀。测量结果与仿真高度吻合，回波损耗在0.36-15 GHz范围内均低于-10 dB，平均增益超过7 dBi。方向图测量显示，天线在E面和H面均保持稳定的端射特性，前后比(FBR)在整个频带内表现良好。

群延迟测量结果显示，天线在工作频带内保持相对平坦的时延特性，总效率平均值约为72%。这些特性对于超宽带脉冲传输至关重要，确保了信号保真度。

探地雷达成像性能

在沙箱实验中，天线系统成功探测到埋深不同的三根钢筋目标，成像结果显示目标回波形成的双曲线特征清晰锐利。通过基尔霍夫迁移算法处理后的图像中，目标在垂直和水平方向的-6 dB宽度分别达到1.5 cm和13 cm，证明了天线在实景探测中的高分辨率潜力。

研究结论表明，这种高度紧凑的Vivaldi天线通过电阻加载实现的36%频率下移，结合孔径调制技术的协同作用，总体尺寸缩减接近70%，同时保持了优良的超宽带性能和辐射特性。天线在热稳定性和电压击穿极限方面的评估显示，在10 V_p-p的工作电压下，电阻负载功率 dissipation 远低于100 mW的安全阈值，确保持续可靠工作。

该研究的创新价值在于突破了传统小型化天线的性能瓶颈，为轻量化超宽带系统提供了切实可行的天线解决方案。特别是在探地雷达、无人机载成像等应用场景中，这种高性能小型天线的出现将显著提升设备的便携性和探测能力，推动超宽带技术向更广泛的应用领域拓展。研究团队提出的技术方法体系，包括慢波结构优化准则、电阻加载模型和巴伦设计原则，为后续相关研究提供了重要参考。