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vivaldi天线RCS减缩方法研究

Vivaldi天线RCS减缩方法研究

作者：赵楚梦西安电子科技大学

学位级别：硕士

现如今,雷达探测技术飞速发展,作战系统受到的威胁越来越大。为了降低作战系统被雷达探测到的可能性,需对其进行隐身设计,即降低雷达截面(Radar Cross Section,RCS)。vivaldi天线具有高增益、宽带等优异的性能,被广泛应用于飞行器头部... 详细信息

现如今,雷达探测技术飞速发展,作战系统受到的威胁越来越大。为了降低作战系统被雷达探测到的可能性,需对其进行隐身设计,即降低雷达截面(Radar Cross Section,RCS)。vivaldi天线具有高增益、宽带等优异的性能,被广泛应用于飞行器头部位置的机载火控雷达,但同时它也是飞行器的重要散射源,所以对vivaldi天线进行RCS减缩设计具有重要意义。本文在尽可能减小对vivaldi天线辐射特性的负面影响的前提下,通过修形及无源对消技术实现了 vivaldi天线单元及阵列的RCS减缩。本文的主要内容如下:1.本文设计了一种基于修形技术的低RCS vivaldi天线。首先对vivaldi天线辐射电流与散射电流分布进行分析,对辐射电流分布较小、散射电流分布较大的介质基板部分进行切割实现了 8-11.5 GHz频段内RCS减缩。在此基础上,为使RCS减缩频段覆盖X波段雷达工作频段,进一步在天线边缘加载电阻并在天线贴片上开矩形槽。电阻可损耗散射能量从而进一步减缩天线RCS;开矩形槽一方面可以减缩天线RCS,另一方面可以抑制vivaldi天线边缘杂散电流,使电流更加聚集于指数渐变槽线附近从而提升天线增益。最终得到了一款具有良好辐射性能的低RCS vivaldi天线,在y极化电磁波沿-z轴入射时,所设计的低RCS vivaldi天线相比于参考天线在X波段内单站RCS得到了减缩,带内最大减缩量达17.8dB,平均减缩量为8.8 dB,且天线增益得到了提升,增益最大提升1.1 dB。2.本文设计了两款基于无源对消技术的低RCS vivaldi阵列。首先,天线采用不同的馈电结构可得到不同的反射相位,此外在天线前端加载不同介电常数的介质可进一步调控天线的反射相位,基于此设计了两种具有不同馈电结构且在天线前端加载不同介电常数介质的vivaldi天线单元,两种天线单元在6.4-11.8 GHz频段内具有一定的反射相位差与较为相似的反射幅度,将其组阵得到了一款宽带低RCS vivaldi阵列,RCS减缩带宽为6.4-12.4 GHz,且vivaldi阵列具有良好的辐射特性。此外,在天线前端加载不同长度的金属条带也可调控反射相位,基于此设计了两种具有不同馈电结构且在天线前端加载不同长度金属条带的vivaldi天线单元,两种单元在5.1-11.9 GHz频段内反射相位差介于143°与217°之间,将其组阵得到了一款宽带低RCS vivaldi阵列,RCS减缩带宽为4.8-12.6 GHz,且vivaldi阵列具有良好的辐射特性。3.本文综合修形及无源对消技术设计了一款低RCS vivaldi阵列。首先使用功分器分别对两种不同馈电结构及加载不同长度金属条带的天线单元进行馈电形成两种子阵,这两种不同的子阵在5.2-11 GHz频段内具有一定的反射相位差以及较为一致的反射幅度。进一步将两种不同的子阵组阵使反射波对消,基本可在5.2-11.4GHz频段内实现阵列的单站RCS减缩。为了使RCS减缩频段覆盖X波段雷达工作频段,进一步对阵列进行修形设计,对辐射电流较小且散射电流较大的部分进行切割,最终所设计的vivaldi天线阵列在5.2-12 GHz频段内具有低RCS特性,相对带宽为79%,且vivaldi天线阵列具有良好的辐射性能。

关键词： vivaldi天线雷达截面减缩修形无源对消

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一种具有陷波特性的vivaldi天线设计

电波科学学报 2010年第2期25卷 383-388页

作者：涂升焦永昌宋跃张福顺张铮西安电子科技大学天线与微波技术国防科技重点实验室陕西西安710071

提出了一种具有陷波特性的新型超宽带vivaldi天线。采用双Y巴伦实现了微带-槽线过渡,利用多阶阻抗变换器解决了宽带阻抗匹配问题。通过在微带线上添加狭缝,实现了对WLAN应用频段（5.125~5.825 GHz）的隔离,使该天线具有陷波特性。在仿... 详细信息

提出了一种具有陷波特性的新型超宽带vivaldi天线。采用双Y巴伦实现了微带-槽线过渡,利用多阶阻抗变换器解决了宽带阻抗匹配问题。通过在微带线上添加狭缝,实现了对WLAN应用频段（5.125~5.825 GHz）的隔离,使该天线具有陷波特性。在仿真设计的基础上制作了实验模型,并对其进行了测量。实测结果表明：在超宽带UWB（Ultra Wide-Band）应用频带（3.1~10.6 GHz）范围内,除隔离频带（5.1~6.0 GHz）以外,该天线的驻波比VSWR≤2,辐射方向图定向性较好,且交叉极化较低,从而证明了该天线设计的实用性。

关键词：超宽带 vivaldi天线微带-槽线过渡陷波特性

基于特高频法检测电气设备局部放电的改进vivaldi天线

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电工技术学报 2017年第12期32卷 259-267页

作者：周文俊刘宇舜李鹏飞喻剑辉武汉大学电气工程学院武汉430072

为提高检测变电站电气设备局部放电产生的特高频(UHF)信号的有效性,基于超宽带渐变槽线天线理论,在传统vivaldi天线的侧边增加渐变槽线和谐振腔后,通过仿真及实测发现,改进后的天线工作频段由1.2~3GHz扩展至0.5~3GHz。同时提高了天线的... 详细信息

为提高检测变电站电气设备局部放电产生的特高频(UHF)信号的有效性,基于超宽带渐变槽线天线理论,在传统vivaldi天线的侧边增加渐变槽线和谐振腔后,通过仿真及实测发现,改进后的天线工作频段由1.2~3GHz扩展至0.5~3GHz。同时提高了天线的指向性,而保持工作频段上天线相位中心不变。改进后的天线在工作频段上具有更高的增益和灵敏度,在2GHz时增益达到7.9d Bi,平均灵敏度大于12mm。为验证所设计天线效果,在实验室搭建了基于预制缺陷变压器的试验平台,结果表明所设计的天线可以有效检测到局部放电的UHF信号。与传统vivaldi天线、加脊TEM喇叭天线和螺旋天线相比,改进vivaldi天线检测灵敏度较高,脉冲时域响应特性更好,利于进一步的信号分析。

关键词：电气设备局部放电信号检测特高频法 vivaldi天线

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vivaldi天线RCS减缩技术研究

Vivaldi天线RCS减缩技术研究

作者：王卫西安电子科技大学

学位级别：硕士

在当今高科技信息化战争中,隐身设计作为重要组成部分,对未来武器装备的生存力和作战效能有着重要而深远的意义。雷达已经成为目前最为有效的能够探测远程电子设备的仪器,其主要工作原理是根据发射雷达波照射到雷达目标后反射回来的能... 详细信息

在当今高科技信息化战争中,隐身设计作为重要组成部分,对未来武器装备的生存力和作战效能有着重要而深远的意义。雷达已经成为目前最为有效的能够探测远程电子设备的仪器,其主要工作原理是根据发射雷达波照射到雷达目标后反射回来的能量来预测目标的存在同时判断目标的大致位置。隐身技术设计主要以减小雷达截面为目的,要求己方设备在敌方的探测雷达下保持较低的可观性。对于机载隐身平台而言,作为平面结构的vivaldi天线,成为当今隐身飞机相控阵雷达天线单元的首选方案。虽然vivaldi天线已经具有较低的雷达截面,但是仍不能满足低可见平台的设计需要。本文主要从研究vivaldi天线的辐射和散射特性出发,在保证其辐射性能基本不受影响的基础上,采用不同手段对其RCS进行减缩研究。主要内容如下所示:1.讨论传统vivaldi天线工作原理及设计思路,同时设计一款双层vivaldi天线。在保证天线工作带宽的基础上,高频增益特性有明显的改善。同时,对该该天线的辐射和散射特性进行研究,总结在各角域和频段入射波照射下的散射机理和特性。2.在分析了vivaldi天线的辐射和散射机理的前提下,通过在vivaldi天线辐射贴片蚀刻CSRR结构,使得在部分工作频段的天线RCS得到明显的减缩效果。然而,该方案仅对入射波极化为θ极化,入射角度为斜入射(10°5°)情况下有一定的减缩效果,且结构较为复杂;针对上述缺陷,在不破坏辐射单元上电流分布的情况下,通过改变辐射贴片的外形设计出了一种低RCS的vivaldi天线。相比于常规的vivaldi天线,在较宽的频段实现了有效的RCS减缩。3.为了使vivaldi天线在整个工作频段实现有效地RCS减缩,论文提出了在天线介质基板采用加载PBG(光子带隙)结构设计,同时结合辐射贴片边缘修形的方案,从而实现该天线在整个频段内雷达截面的有效控制。从而,能在一定程度上解决天线良好辐射性能与低RCS之间的矛盾。

关键词：雷达截面 vivaldi天线 CSRR结构边缘修形 PBG结构

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vivaldi天线小型化的研究与设计

Vivaldi天线小型化的研究与设计

作者：白红燕南京邮电大学

学位级别：硕士

人们对电子设备便携小巧的要求不断提高,使得电子电路集成技术的迅猛发展,系统中各部分组成电路的尺寸随之缩小,从而一般用作系统终端部分使用的天线也面临着小型化的挑战,而天线小型化考虑的重点在于性能与尺寸之间的权衡。vivaldi天... 详细信息

人们对电子设备便携小巧的要求不断提高,使得电子电路集成技术的迅猛发展,系统中各部分组成电路的尺寸随之缩小,从而一般用作系统终端部分使用的天线也面临着小型化的挑战,而天线小型化考虑的重点在于性能与尺寸之间的权衡。vivaldi天线是渐变槽线天线中的一类,属于超宽带天线,该类天线具有宽频带、方向图对称、增益稳定并且结构简单、低剖面、易于集成等优点,已广泛应用于雷达系统、室内外通信系统、测量装置等领域。vivaldi天线若按照行波原理设计结构,尺寸势必偏大,所以对于该类天线小型化的研究本质上已经从行波天线变为了谐振型天线。本文主要是对vivaldi天线小型化作讨论设计,主要工作包括:(1)基于微带线-槽线耦合馈电结构的等效电路分析,设计了一种弯折型微带小面积馈电vivaldi天线。该天线通过在馈电耦合处设计了弯折型馈电微带线槽边短路与槽线开路的结构,以达到减小微带线-槽线耦合处反射系数的目的并有效地减小了天线馈电面积。通过对介质基板厚度以及指数渐变槽线宽端开口宽度参数的影响分析,得到该天线工作带宽为3-14GHz,最大增益为9.22d Bi,体积为60mm×53.1mm×0.4mm。(2)设计了一种阻抗变换型微带馈电vivaldi天线,该天线馈电结构沿用微带线槽边短路与槽线开路的形式,馈电微带线采用了阻抗变换结构。在与弯折型微带小面积馈电vivaldi天线指数渐变槽线开口宽度以及长度一致的情况下,通过对介质基板厚度以及指数渐变槽线宽端开口宽度参数的影响分析,得到该天线工作带宽为2-18GHz,最大增益可达9.97d Bi,体积为60mm×54mm×0.4mm。(3)基于槽间电阻加载微带线-槽线耦合馈电结构的等效电路分析,设计了一种槽间电阻加载vivaldi天线。该天线的馈电结构对在微带线-槽线的馈电耦合处微带线短路、槽线开路的形式加以改进,将槽线采用的开路结构转换为槽间电阻加载,以达到减小微带线-槽线耦合处反射系数的目的。得到该天线工作带宽为2-25GHz,体积仅为40mm×41mm×0.4mm。在此基础上,对在微带线-槽线耦合处与电阻加载位置之间的槽线段做拓宽变形以及在天线两侧的金属区域上设置四分之一波长的线性渐变槽缝,天线的增益、辐射效率以及方向图得到了明显地改善,天线增益可达8.45d Bi。

关键词： vivaldi天线超宽带小型化馈电结构电阻加载

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vivaldi天线及其工程设计

Vivaldi天线及其工程设计

作者：杜荷西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着5G技术的发展,人工智能、无人驾驶、VR等新兴技术的不断涌现,对通信系统提出了更多需求,需要更宽的带宽更大的系统容量和更高速的传输速率。在这种需求的推动下,超宽带天线受到广泛关注。vivaldi天线作为超宽带天线的重要代表因具... 详细信息

随着5G技术的发展,人工智能、无人驾驶、VR等新兴技术的不断涌现,对通信系统提出了更多需求,需要更宽的带宽更大的系统容量和更高速的传输速率。在这种需求的推动下,超宽带天线受到广泛关注。vivaldi天线作为超宽带天线的重要代表因具有超宽的带宽,稳定的增益,良好的方向性成为研究的热点。本文主要的研究内容有共口径双频vivaldi天线,双槽双极化vivaldi天线及毫米波高增益vivaldi天线。宽带双频共口径vivaldi天线设计。通过在传统vivaldi天线口径处加载指数渐变槽线设计一款工作在微波毫米波的双频vivaldi天线。指数型渐变槽线的作用有两方面:1、低频时可以用来提升传统vivaldi的增益。2、高频时可以作为天线单独辐射。同时研究了指数型渐变槽线结构的宽度、长度、槽线间隔等对天线高低频性能的影响。结果表明,指数型渐变槽线的宽度主要影响高频,长度主要影响低频,即它的高低频可以独立调节,因此这种天线形式可以适用于任意高低频组合的频段。双槽双极化vivaldi天线设计。内容包括:1、为了改善传统vivaldi天线单元增益低方向性差的问题,设计一款辐射臂开锥形缝隙的双槽vivaldi作为双极化天线单元,与传统vivaldi相比增益提升1.5-2d B,并且具有更好的方向性。双槽双极化天线通过将两个双槽vivaldi天线单元十字交叉生成,因交叉部分不通过微带线转槽线的馈电结构,相比传统双极化vivaldi工程复杂度更低。2、为了进一步提升双极化vivaldi的隔离度,将两个双槽vivaldi天线单元按T型结构放置生成双极化,隔离度与十字型双极化相比有较大改善。最终在3-9GHz频段内隔离度达到-37.5d B,与十字型双极化天线相比隔离度改善10.5d B。毫米波高增益vivaldi天线设计。为了解决工作在毫米波段vivaldi天线的增益普遍较低的问题,设计一款工作在65-85GHz的高增益vivaldi天线。1、针对传统微带馈电在高频处损耗较大的缺点,采用基片集成波导转共面波导馈电,这种馈电形式与传统馈电相比,损耗降低一个数量级。2、通过扩展传统vivaldi的辐射臂并在天线两侧辐射臂边缘开槽,延长电流路径,使电流更集中在内边缘,从而改善匹配特性,提高增益。3、通过在介质基板前端加引向器结构,解决口径面处的相位差问题。4、通过在介质基板周围引入介质腔体,改善天线的表面波效应,进一步提高增益。最终在65-85GHz频段内增益稳定在19d B左右,与参考天线相比,增益提升13d B。

关键词： vivaldi天线双频天线双极化高增益

新型小尺寸带引向器波纹开眼对拓型vivaldi天线

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电波科学学报 2018年第2期33卷 208-216页

作者：吴青龙王宏建刘广中国科学院国家空间中心微波遥感技术重点实验室北京100190 中国科学院大学.北京100049

基于传统对拓型vivaldi天线,提出一种新型小尺寸对拓型vivaldi天线.采用波纹、开眼和引向器等结构来展宽天线的工作带宽,并分别对这三种结构对带宽的影响进行了分析.利用HFSS仿真优化得到的结构参数,分别在两种介质材料上,加工并测试了... 详细信息

基于传统对拓型vivaldi天线,提出一种新型小尺寸对拓型vivaldi天线.采用波纹、开眼和引向器等结构来展宽天线的工作带宽,并分别对这三种结构对带宽的影响进行了分析.利用HFSS仿真优化得到的结构参数,分别在两种介质材料上,加工并测试了带引向器波纹开眼对拓型vivaldi天线,实测与仿真结果吻合.仿真与测试结果表明:两种介质上的天线工作频带均包含3~20GHz,尺寸仅为42.56mm×40.16mm×0.813mm,带内回波损耗S11低于-10dB,带内增益均大于3dBi,最大增益达7.3dBi,交叉极化均小于-15dB,50%以上的频带交叉极化小于-20dB,最小可达-25dB,天线具有稳定的方向图,良好的波形保真度,是一种宽波束天线.

关键词：超宽带天线 vivaldi天线小型化对拓型vivaldi天线

加载对拓结构介质的高增益vivaldi天线

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电波科学学报 2018年第2期33卷 202-207页

作者：唐尧曹祥玉高军空军工程大学信息与导航学院西安710077

vivaldi天线属于渐变缝隙天线的一种,被广泛应用于平面超宽带天线设计中.vivaldi天线在理论上可以展宽带宽到无限大,但受限于加工工艺和尺寸,其增益提高效果并不明显.文中立足于经典vivaldi天线,在天线辐射前端加载对拓结构的介质,仿真... 详细信息

vivaldi天线属于渐变缝隙天线的一种,被广泛应用于平面超宽带天线设计中.vivaldi天线在理论上可以展宽带宽到无限大,但受限于加工工艺和尺寸,其增益提高效果并不明显.文中立足于经典vivaldi天线,在天线辐射前端加载对拓结构的介质,仿真结果表明相对带宽扩展了79.1%,在5.5GHz与12GHz处提高增益达3dBi.过孔矫正技术可以使天线辐射的相位分布更加均匀,提高幅度分布的口径效率.在对拓结构基础上,天线辐射端加载相位矫正的过孔阵列结构,仿真结果表明加载该技术后,天线提高增益2dBi以上.包含以上两种技术的天线结构具有高增益、便于设计、小型化的特点,这为端射天线提高增益和增强定向性提供了新的思路.

关键词： vivaldi天线对拓结构介质加载过孔矫正功率分配

vivaldi天线及其在宽带测量系统中的应用

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宇航计测技术 2004年第3期24卷 20-23页

作者：牛军谦吕善伟刘涓南仁东北京航空航天大学电子信息工程学院205教研室研究生北京100083

介绍了一种宽频带的槽线天线即vivaldi天线,论述了它的工作机理,它的性能与结构参数的关系,同时介绍了它与不同的馈电方式结合形成具有各自特点的不同形式的vivaldi天线,用时域有限差分方法分析了一种vivaldi天线的匹配特性,验证了它的... 详细信息

介绍了一种宽频带的槽线天线即vivaldi天线,论述了它的工作机理,它的性能与结构参数的关系,同时介绍了它与不同的馈电方式结合形成具有各自特点的不同形式的vivaldi天线,用时域有限差分方法分析了一种vivaldi天线的匹配特性,验证了它的宽带特性,最后阐述了vivaldi天线在宽带测量系统中的应用。

关键词： vivaldi天线宽带测量系统工作原理时域有限差分方法驻波比槽线天线