利用多槽、全带分配器、超材料和分布式电阻器对Vivaldi天线内部能量的引导与吸收

为什么控制天线内部能量很重要

无线设备——从5G基站到成像雷达——依赖能够在宽频带上发送和接收聚焦信号且不浪费宝贵能量的天线。然而，在许多先进的平面天线中，输入到结构中的相当一部分能量并未转化为有用的辐射，而是以杂散电磁能量的形式在内部徘徊，悄然削弱性能。本文展示了如何重新设计一种常见天线类型，使更多能量精确地到达目标方向，减少损耗和反射，从而产生更强、更纯净、更高效的无线波束。

塑造更智能的天线板

这项工作集中在一种称为Vivaldi的行波天线上，该天线之所以有吸引力，是因为它能在很宽的频带上工作并可制成平面电路板。作者首先分析了使用两个渐开槽的基本设计，然后将其扩展为四槽版本。布置多个槽能够增大天线辐射的有效开口，就像扩大手电筒反射面的开度以产生更窄更集中的光束一样。槽数加倍大致会使主方向的功率密度增加一倍，使增益提高约3分贝。然而，测量也显示出跨频率的增益强烈起伏：在某些频率天线辐射良好，而在其他频率结构内部的破坏性交互会降低性能。

察看天线内部的隐蔽能量

为了解这些增益起伏，研究团队转向了近场的详细图谱——即非常靠近金属形状时的电磁活动。通过追踪能量簇随时间在结构中如何传播，他们区分了直接朝开口方向流动的有用能量和走迂回路线、向馈端反弹或到达较晚的不希望出现的能量。他们将这些后者称为残余能量。尽管在常规远场测量中这种残余能量是不可见的，但在近场图中它会以沿某些边缘和间隙的亮区清晰显现。这些迟到或误向的波与主辐射发生干涉，造成观测到的增益起伏和额外的反射。

用工程材料引导波

一旦确定了主导路径，作者便通过在每个渐开槽内加入小型图案化金属包含体——一种工程化的“超材料”——来重新塑造能量的流动。这些重复的小单元使得裂缝中央的波传播速度比靠近边缘处更慢，有助于波前在到达开口时变得更平坦。更平的波前意味着来自孔径不同部分的贡献同时到达并相互加强，从而提高定向性。仿真与测量表明，这种超材料处理使天线在宽频带上增益提高约1分贝，并略微降低反射，表明更多输入功率被转换为前向辐射。

吸收剩余能量

使主波前变平并非万全之策；显著的残余能量仍在侧翼和隔离缝中循环。为应对这一点，作者特意在外侧翼开出之字形槽，并利用中央翼之间的既有缝隙作为吸引杂散能量的优选通路。然后他们沿这些通路布置数十个微小电阻。之字形增加了路径长度并增强电压差，从而吸引并引导残余能量进入电阻，在那里能量被无害地转化为热。基于多端口散射数据的电路模型，团队对每个电阻值进行数学优化，使在1.6到20吉赫之间输入端口的反射最小化且吸收最大化。配合优化后的电阻网络以及一个用于在低频闭合某些回路的小导电环，天线的增益曲线变得平滑，单个器件的峰值增益上升到约20分贝，4×4阵列约为25分贝，时域辐射中的重复杂散脉冲几乎消失。

为现实系统供电的阵列设计

要在实际中使用这些天线，必须同步驱动许多相同单元。因此，作者设计了由简单T形传输线结构成的新型功率分配器，将一个输入分成四路，然后分层组合以驱动十六个单元。这些分配器在所有端口保持相同阻抗，并在宽工作带内维持几乎相等的相位和幅度，使阵列表现为一个大型、聚焦良好的辐射体。对制造原型的测量在大部分频带上与仿真结果高度一致，确认了多槽几何、超材料和定制电阻路径在实际硬件中协同工作的效果。

这对未来天线的意义

通俗地说，这项研究展示了如何通过精心引导和吸收本会在外壳内反射的光，把一个漏散且不均匀的手电筒光束变成明亮、稳定的聚光灯。通过将内部能量分类为有用流和有害流，然后用图案化材料和微小电阻引导并耗散后者，作者提供了一种将宽带天线推向理论极限的方案。这一方法不限于Vivaldi设计；它为诊断和修复现代通信、传感与雷达系统中广泛使用的各种行波天线的隐性能量损耗提供了通用途径。

引用: Hoang, H., Nguyen, MH. & Pham-Xuan, V. Guidance and absorption of internal energy in Vivaldi antennas using multiple slots, full-band dividers, metamaterials, and distributed resistors. Sci Rep 16, 10112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39126-x

关键词: Vivaldi天线, 宽带天线, 超材料, 电磁能量, 天线阵列