天线作为现代雷达,通信等系统的最前端,担负着发射和接收各频率电磁波的重担,因此天线性能的优劣直接影响着整个系统的工作性能。我们知道早期的超宽带信号是在射频情况下产生正弦波时不可避免出现的“副产品”,在当时的研究过程中并没有引起研究人员足够的重视。但随着无线电技术的不断向前发展,无线电系统的工作频率越来越高,工作带宽也越来越宽,超宽带技术又重新进入研究人员的视野并逐渐成为研究热点。超宽带天线作为超宽带系统重要的组成部分,其性能极大的限制着系统的整体性能。因此如何提高超宽带天线的性能,设计小型化,高增益,双极化甚至多极化的超宽带天线成为超宽带天线的研究热点之一。本文接合现代超宽带系统对天线的需求,围绕小型化,高增益,双极化的Vivaldi天线进行研究。首先,本文概述了几种常见的超宽带系统以及超宽带系统对天线性能的要求,并对常见的超宽带天线进行了总结,对比了其性能优劣。同时详细介绍了Vivaldi天线的发展历史,研究现状以及发展趋势,为本文的研究工作奠定了基础。其次,本文介绍了现阶段Vivaldi天线的研究热点,归纳出几种提高Vivaldi天线性能的方法。在研究了对趾Vivaldi天线的基本结构和辐射机理的基础上,运用对趾Vivaldi天线的设计方法,设计了一个矩形扼流槽加载的对趾Vivaldi天线,并制作了天线实物,测试结果验证了扼流槽加载结构可以在天线外形尺寸不变的情况下,降低天线的低端截止频率,提高Vivaldi天线的低频端增益。与此同时,当Vivaldi天线工作于更高频率时,随着频率的升高,在Vivaldi天线辐射口径面上的相位误差就越严重,由此导致Vivaldi天线高端辐射方向图恶化,增益降低。为了克服Vivaldi天线在高频端的口径面相位误差,本文依据高介电常数介质引向器和介质透镜的工作原理,设计了多层平面介质透镜加载的对趾Vivaldi天线。在此天线中,利用多层平面介质透镜成功矫正了高频端天线口径面处的相位误差,改善了高频端Vivaldi天线的方向图特性并提高了天线增益。同时,对于多层平面介质透镜加载的对趾Vivaldi天线进行加工,制作了天线实物,其实验结果验证了设计的正确性与加载方法的有效性。再次,本文介绍了双极化Vivaldi天线单元的研究现状,同时依托于传统对趾Vivaldi天线的等效电路,研究了传统Vivaldi天线的馈电与辐射机理,并给出了一般设计准则。在此基础上,采用矩形扼流槽加载结构,设计了工作于X波段的小型化传统Vivaldi天线,并利用两幅已设计的传统小型化Vivaldi天线作为天线单元,垂直交叉组成双极化Vivaldi天线单元。在此基础上,本文提出了新的改进两天线单元间隔离度的措施,即利用不同馈电点的传统Vivaldi天线组成改进型双极化Vivaldi天线,并对优化设计的双极化Vivaldi天线制作天线实物,其测试结果验证了改进措施的有效性。最后,本文设计了传统双极化Vivaldi天线阵列,对趾双极化Vivaldi天线阵列,并对其阵列性能进行了总结与对比。最终采用对趾双极化Vivaldi天线阵列进行了实物验证,测试结果表明对趾双极化Vivaldi天线阵列有良好的辐射特性和极化纯度,可以将其应用于多种超宽带系统当中。