X频段Vivaldi天线简单设计方案

 

　　天线对发射和接收电磁(EM)能量的高频通信和电子系统很关键。天线的基本行为可以用其波场强度、极化及传播方向来描述。有没有一种方法能让Vivaldi天线在微波频率下提供杰出的方向传播性，用一种简单设计达到高带宽?相信本文将给你答案。

　　本系列文章分为三个部分，此篇为第一部分，将说明Vivaldi天线如何在微波频率下提供杰出的方向传播性，本研究目标的Vivaldi天线针对X频段应用，即8～12GHz频段。

　　天线对发射和接收电磁(EM)能量的高频通信和电子系统很关键。虽然有许多不同种类的天线，但都是根据同一基本电磁原理工作的。天线的基本行为可以用其波场强度、极化及传播方向来描述。在如机载雷达和通讯系统中的关键要求包括效率高、带宽大、重量轻、体积小及简单。

　　渐变式槽缝天线(TSA)是Gibson在1973年提出的，非常适合满足这些要求。1986年第一次分析了无衬底TSA的简单例子，随后出现了更先进的分析方法。许多早期TSA实验用电子设计自动化(EDA)软件设计和分析工具进行，如Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)和Computer Simulation Technology公司的CST Microwave Studio。但对所有此项探讨，以前对实际TSA设计的研究都不够，因此本文将给出一款高频单端指数Vivaldi天线。

　　为本研究设计的Vivaldi天线针对X频段应用，即8～12 GHz频段。天线采用安捷伦科技公司的Advanced Design System (ADS) EDA软件工具模型化并仿真，采用矩量法(MoM)分析。此方法基于精确的格林函数;用于ADS中的基于MoM的过程计算反射系数和天线中的未知电流。随后计算反射系数，基本函数的收敛和电流分布以及远场辐射行为。通过用微波矢量网络分析仪(VNA)和谱分析仪进行高频测量来验证部分参数。

　　在计划设计Vivaldi天线之前，应该仔细了解其特性。在设计和制造Vivaldi天线之前，其基本组成、工作原理、辐射形式、TSA类型、极化以及馈电技术必须仔细考虑并研究。要了解这种天线的设计，首先采用现代高频EDA工具仿真，然后制作并测量，以将性能与仿真结果相比较。

　　Vivaldi天线是一种有用的配置，原因是其简单性、宽带宽和在微波频率下的高增益。总的来说，为端射辐射图，使其成为连续一种比例、渐进弯曲、慢泄漏端射行波天线。 在不同频率下，Vivaldi天线的不同部分在辐射，而辐射部分的大小在波长上是常数。就其本身而言，Vivaldi天线理论上为无限工作频率范围，在此范围波束宽度为常数。文献上诸如“渐变开槽”、“槽式”、“渐变槽式”这样的术语在Vivaldi天线中一直是互用的。这些天线包括蚀刻到薄金属膜的渐变槽，在薄膜一侧有或者没有电介基板。

　　

 

　　除效率和重量轻的特点之外，像Vivaldi天线这样的TSA很吸引人，因为可以在宽带宽工作，产生对称端射束流，增益可观，侧瓣低。图1示意了一个Vivaldi天线的基本结构，WE为输入槽宽度，WA为辐射区槽宽度，WO为输出槽宽度。Vivaldi天线有两个传播和辐射区：

　　1. 由WE< W< WA 定义的区域。

　　2. 由WA < W{ < WO定义的区域。

　　Vivaldi天线是一种“表面形”行波天线。电磁波沿天线弯曲槽路径传输。与自由空间波长相比，导体之间的分割区很小，波受到严格限制。随着分割的增加，限制越来越弱，波从天线发射出去。这发生在边缘分割大于一半波长时。

　　行波沿Vivaldi天线的结构传输，因为电磁波相速小于自由空间光速。因此，Vivaldi天线特点是端射式辐射，如图 2所示。相速限制情况与空气电介质情况有关，因此束宽和副瓣水平比现有电介基板的情况大得多。此外，相速和导波长随厚度、电介常数和渐变设计而变。

　　

 

　　TSA可以设计为多种渐变形式。平面TSA有两个共同特征：辐射槽作为天线地平面及天线由平衡槽线馈电。设计平面TSA中的难题包括采用在天线中采用低介电常数基板材料和达到适当的槽线阻抗匹配。通过采用低介电常数基板材料，能得到相对高的槽线阻抗。这样，如果采用微带馈电，要达到阻抗匹配就很难。因此，从微带到槽的转换将会限制TSA的工作带宽。

　　已进行过支撑材料弯曲对不同类型TSA的影响的试验研究。实验表明，渐变形式的弯曲对增益、束宽和TSA带宽影响巨大。实际上，馈电一般决定了高频限，而孔径尺寸决定了低频限。因此，要使TSA带宽最大化，合理设计馈电结构很关键。虽然微波集成电路(MIC)一般用微带实现，但槽线仍是TSA馈电的最佳传输媒介。从微带到槽线的转换应紧凑并有损失，以便将来自天线的微波信号耦合到平面微带电路。可以采用多种馈电技术，最常用的方法是同轴馈电线和微带馈电线。

　　关于Vivaldi天线选择采用微带到槽线转换的优势将在本系列文章的下一部分详细说明。

　　本系列文章的上一部分说明了Vivaldi天线如何在微波频率下提供杰出的方向传播性，下面将介绍Vivaldi天线选择采用微带到槽线转换的优势所在。

　　与其它馈电机制相比，从微带到槽线的转换具有许多优点。这一转换可以简单地用常规光刻工艺制造。此外，双面印刷电路板(PCB)的制作可以一侧用微带，另一侧用槽线，以达到紧凑转换。本报告中Vivaldi天线就采用了这种转换类型(图3)。

　　

 

　　微波PCB中广泛采用的微带线为非平衡线，虽然Vivaldi天线要求用槽线传输线馈电，槽线传输线为平衡线。非平衡到平衡传输所需要的不平衡变压器必须工作在至少两倍频程，甚至高达多倍频程。最好是，不平衡变压器与频率无关。 为说明TSA设计的有效性，从其它可能的设计中选择Vivaldi天线，因为对这一配置已经进行过大量的研究。无论设计哪种天线，电介质基板材料的选择都很关键。有很多基板材料可选，而其特性和介电常数差异很大。本实验性Vivaldi天线更适合在低电介常数基板上制作转换和Vivaldi天线，避免采用短钻孔。本实验天线用Rogers公司(www.rogerscorporation.com)的RO4003C基板材料制作，此材料的介电常数为3.38。采用安捷伦的ADS软件优化用于8GHz～12GHz的设计。

　　Vivaldi天线选择采用微带到槽线转换，因为与其它方法相比，此方法有许多优点。一个主要优点是这种转换可以方便地用常规照相蚀刻工艺制作，可以做成一侧用微带而另一侧用槽线的双面PCB。

　　Kayani等在2005年提出了一种简单的集成Vivaldi天线。其单面设计采用了带线到槽线耦合，如图4。这一设计的最大优点是，与对踵Vivaldi天线相比，可以更小。此外，因为天线尺寸小，采用计算机辅助设计(CAE)软件工具时，仿真时间相对要短。图4为工作在8GHz～12GHz频率的双面Vivaldi天线示意图，长度为7.48cm，宽为2.08cm。微带线的宽度为0.29cm。圆形槽端的直径为1cm，槽线间隙为0.08cm。