对南极冰盖的内部结构进行高精度、高分辨率探测是评估南极冰盖质量，分析冰盖质量减少在气候变化中所起作用的重要前提。探冰雷达具有体型小、功耗低、分辨率高等优点，是测量极地冰盖内部信息最有效的方法之一^[1]。

探冰雷达通常采用调频连续波方式，雷达的垂向分辨率由其工作带宽决定，带宽越大，垂直分辨率越高。天线尺寸与其工作频率、类型、带宽等密切相关。文献[2]使用的工作频率为60/179 MHz的三单元八木天线虽然具有较强的穿透性，但天线体积大，在极地运输、安装、维护比较困难。文献[3]使用的八单元Vivaldi阵列天线工作频段为0.5~2 GHz，虽然具有较大的工作带宽与较高的垂向分辨率，但端口多、结构复杂，在中国第32次南极科考任务中发生了天线断裂事故，增加了现场修复的难度以及后期雷达数据处理的复杂性^[4]。

本文以传统Vivaldi天线为基础，设计并改进了一款应用于S波段（2~4 GHz）极地探冰雷达的Vivaldi天线，通过加载两段指数曲线开槽与指数型引向器的方法，在不增加天线复杂度与体积的同时，提升天线在频段内的增益。

Vivaldi天线主要由微带馈电线、天线辐射结构和介质板组成。其中，微带馈电线为一段末端带有扇形开路枝节的微带传输线，蚀刻在介质板的一侧。为了提高耦合馈电效率，其扇形开路枝节通常选取中心工作频率对应波长的四分之一^[5]。天线辐射结构主要由圆形谐振腔、平行槽线和指数渐变槽组成，蚀刻在介质板的另一侧。圆形谐振腔主要起到阻抗匹配与反射信号的作用，其直径通常为中心工作频率对应波长的四分之一。平行槽线负责接收微带馈电线耦合过来的电磁波信号，并将电磁波信号传输到指数渐变槽。指数渐变槽发挥引导与辐射电磁波的作用。其指数曲线y表示为^[6]

$ y=c_{1} e^{R x}+c_{2} $

(1)

式中：c₁，c₂——常数；

R——曲线斜率；

x——曲线上任意点到天线底边的距离。

设曲线起点P₁=(x₁，y₁)，曲线终点P₂=(x₂，y₂)，则c₁、c₂的计算公式为

$ c_{1}=\frac{y_{2}-y_{1}}{\mathrm{e}^{R x_{2}}-\mathrm{e}^{R x_{1}}} $

(2)

$ c_{2}=\frac{y_{1} \mathrm{e}^{R x_{2}}-y_{2} \mathrm{e}^{R x_{1}}}{\mathrm{e}^{R x_{2}}-\mathrm{e}^{R x_{1}}} $

(3)

天线介质板的厚度、介电常数对天线的辐射性能影响很大。介质板厚度越厚，介电常数越低，天线的工作效率和频带带宽越大，天线尺寸就会越大，且容易激起表面波效应，产生混乱的二次辐射表面波，影响天线增益；介质板厚度越薄，介电常数越高，天线的工作效率与频带带宽越小，越容易实现天线的小型化。介质板厚度与介电常数的关系为^[7]

$ \frac{h_{\mathrm{eff}}}{\lambda_{0}}=\frac{h\left(\sqrt{\varepsilon_{\mathrm{r}}}-1\right)}{\lambda_{0}} $

(4)

式中：h_eff——介质板有效厚度；

λ₀——中心频率对应波长；

h——介质板实际厚度；

ε_r——介质板介电常数。

介质板有效长度应满足0.005 < h_eff/λ₀ < 0.030。在这个范围内，天线具有较好的辐射特性^[8]。

本文设计的Vivaldi天线选择介电常数为3.48的ROC4350B板材，厚度为1.52 mm，使用仿真软件的高频结构模拟器（High Frequency Structure Simulator，HFSS）对天线进行建模仿真。Vivaldi天线结构如图 1所示。

通过优化天线长度、天线宽度、槽线宽度、曲线曲率等关键参数，对天线在2~4 GHz频段的回波损耗参数与天线增益进行仿真优化，得到的Vivaldi天线关键参数如表 1所示。

在2~4 GHz频段范围内Vivaldi天线回波损耗仿真结果如图 2所示。

由图 2可以看出，在S波段内满足回波损耗S₁₁ < -10 dB的设计要求。

在2~4 GHz频段范围内，Vivaldi天线增益仿真结果如图 3所示。

由图 3可以看出，天线增益随频段增高而增大，但天线整体增益不高，且增益曲线也不平滑，因此需要对天线进行优化设计。

辐射臂开槽技术可用于提升Vivaldi天线的增益性能^[9-11]。该方法能有效抑制边缘电流回流，使天线表面的电流分布更加集中，在有效提升天线增益的同时，不增加天线体积。本文在Vivaldi天线的高、低频段辐射臂分别引入两段指数曲线开槽设计。辐射臂优化结构如图 4所示。其中，V_R表示对应曲线曲率，W_a、W_b、W_c为指数曲线关键参数。

通过仿真优化使得Vivaldi天线增益达到最佳，优化后的指数曲线关键参数为W_a=17 mm、W_b= 60 mm、W_c=20 mm、V_R2=0.09、V_R3=0.06、V_R4=0.10。辐射臂优化前后的增益对比如图 5所示。

由图 5可知，在进行了指数开槽加载1优化后，天线整体增益显著提升，尤其在高频段表现出明显的改善。这表明指数开槽加载对辐射曲线较窄区域电流集中效果明显，能有效提高高频段信号的辐射性能。经指数开槽加载2优化后，天线在低频段的增益也得到了显著提升。相较于改进前，优化后Vivaldi天线平均增益提高了约1.93 dB，最大增益达到了9.3 dB。此外，增益曲线呈现出更加平滑的特性，表明优化后Vivaldi天线在整个频段上具备更为均衡的性能。辐射臂优化前后回波损耗对比如图 6所示。

由图 6可知，优化后天线在S波段依然满足小于-10 dB的设计要求。

为了进一步提升Vivaldi天线的增益，在实践中通常采用在渐变槽线的中央位置引入引向器的方法。引向器的主要功能是将电磁波引导至介质板的边缘，减少电磁波的反射，从而改善信号传输特性，提升Vivaldi天线增益^[12-15]。本文以三角形引向器为原型，将两条侧边设计为更为贴近辐射槽的指数型曲线，以期达到更好的引向作用。加载引向器的Vivaldi天线结构如图 7所示。其中，H_t为引向器高度，W_t为引向器底边宽度，d为引向器到发射扣的距离，V_R5为引向器侧边曲线曲率。

通过仿真软件对引向器的大小和位置等参数进行优化，使Vivaldi天线增益达到最高。最终得到优化后的引向器参数：H_t=33 mm，W_t=10 mm，d=2 mm，曲线曲率V_R5=0.10。结构优化前后Vivaldi天线增益对比如图 8所示。

由图 8可以看出，除低频段外，加载引向器对天线增益都有提升，这是因为引向器位于低频信号辐射区域，无法对低频信号进行引导。加载引向器使Vivaldi天线平均增益提升了0.29 dB，相较于结构改进前，Vivaldi天线平均增益提升了2.22 dB。这表明结构改进后Vivaldi天线性能得到了显著提升。结构优化前后Vivaldi天线回波损耗对比如图 9所示。

由图 9可以看出，结构优化后Vivaldi天线的回波损耗参数整体略低，符合设计标准。

根据优化后Vivaldi天线数据加工制作的天线实物如图 10所示。

使用矢量网络分析仪Keysight E5063A在2~4 GHz频段范围内对Vivaldi天线的回波损耗参数进行测量，实测值与仿真值对比如图 11所示。

由图 11可以看出，Vivaldi天线回波损耗实测值与仿真值基本相同，在工作频段内小于-10 dB，相较仿真结果，实测结果整体向低频偏移。这可能是由于介质板材料建模与实物存在差异而造成的数据整体偏差。

工作频带内2、3、4 GHz处Vivaldi天线增益方向图实测值和仿真值对比如图 12所示。

由图 12可以看出，Vivaldi天线增益方向图实测值略低于仿真值，这可能是由于加工误差与测试环境的影响而造成的。Vivaldi天线增益方向图仿真值与实测值大体趋势保持一致，且对称性较为良好，说明Vivaldi天线具有较好的端射特性。

本文设计的Vivaldi天线与近年极地科考雷达天线参数比较如表 2所示。

由表 2可以看出，相较于其他天线，本文设计的Vivaldi天线在保证增益的同时，体积更小、垂向分辨率更高。

本文设计了一种应用于S波段探冰雷达的高增益Vivaldi天线。在传统Vivaldi天线的基础上，通过加载指数曲线开槽与指数型引向器结构，在不增加天线体积与复杂度的情况下，提升了天线整体增益。在仿真结果中，该天线在2~4 GHz频段范围内回波损耗S₁₁ < -10 dB，天线增益整体在5.39 dB以上，最高达到了9.6 dB，且增益曲线平滑。实测结果表明，天线方向图对称性与端射特性良好，且回波损耗参数满足设计要求。该天线具有工作带宽大、垂向分辨率高、体积小、增益高等特点，可以为极地科学和探测领域提供有价值的工程参考。