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。

　　

 

　　

采用Agilent的ADS软件套件Momentum EM分析工具设计和仿真的过程有很多步骤：

　　1.构建高频Vivaldi天线物理层设计

　　2.选择理想的Momentum运行模式进行Vivaldi天线仿真

　　3.确定需要的基板材料和其特性

　　4.通过前期计算采用的基板材料求基板参数

　　5.设计天线口并定义其特性

　　6.建立并生成电路网

　　7.建立并仿真Vivaldi天线的性能

　　8.查看S参数和辐射图结果。

　　用Momentum软件构建并仿真Vivaldi天线的实际步骤将在本系列文章的下一部分详细说明，下一部分将发表在《微波与射频》(Microwaves & RF)杂志的2008年8月刊上。在第三部分，将给出针对Vivaldi天线，对用商用测试设备在9GHz频段进行的测量结果和用安捷伦?司的Agilent Momentum平面EM仿真软件进行的仿真结果进行比较。

　　

 

　　Vivaldi天线可以在微波频段提供优秀的定向传播性能。正如本文前两部分介绍的那样，Vivaldi天线可以是基于渐变开槽天线(TSA)架构的一种简单设计。作为第三部分，这篇文章比较了对这一设计制造的X波段天线的实际测量结果和利用安捷伦科技公司(www.agilent.com)提供的Advanced Design System(ADS)软件做的仿真结果。

　　利用安捷伦?司ADS软件套件中的Agilent Momentum EM分析工具所做的八点设计和仿真过程在第一部分有详细描述。该天线在RO4003C材料上制造，SMA边缘连接器与天线的微带线相粘连，SMA插座的外部地气引脚短路到天线的槽线地平面，SMA的中心引脚则被焊接到微带传输线。图5给出了以这种方式制造的Vivaldi天线板，该天线板可直接用于测试和评估。

　　

 

　　测量包括产生S参数和辐射方向图。图6是用于评估Vivaldi天线S11参数的测试设置实例。在进行测量之前，矢量网络分析仪(VNA)必须先完成校准。然后将Vivaldi天线的50Ω连接器和VNA的端口1连接器通过一根50Ω的低损耗同轴电缆连接起来。VNA测量频率范围被设为8到12GHz。

　　

 

　　一旦从VNA获得S11 log magnitude值，就能与Momentum分析得到的仿真结果进行比较。通过比较可以发现用于辐射方向图测量的最佳频率是9.20GHz。用于辐射方向图测量的测试设置如图7所示。为了完成这些测量，需要将微波信号发生器通过一根高质量的50Ω同轴电缆连接到Vivaldi天线的SMA连接器。信号发生器被调谐到天线的最佳频率9.20GHz，它的输出功率电平被设为+10dBm。如果这是正确的天线最佳频率，那么测量得到的辐射方向图应该匹配仿真结果。

　　

 

　　将作为测量接收器并且具有合适频率范围的微波频谱分析仪通过一根低损耗50Ω同轴电缆连到另一根Vivaldi天线，然后将该分析仪调谐到信号发生器使用的频率范围(8到12GHz)。

　　为了同时测试Vivaldi天线发射器和接收器，发射器和接收器之间的距离应设置在1米或1米以上。接收天线可以被旋转到不同的角度，而发射天线被设定在一个固定角度。这种设置对测量Vivaldi天线接收到的功率以及确定天线的极场辐射方向图是非常有利的。接收天线能以10度的步距在0到360度内任意旋转，频谱分析仪上测量的功率电平单位是dBm。Vivaldi天线发射的功率可以通过将作为发射器的Vivaldi天线代替喇叭和抛物线发射天线得到。

　　增益测量测试设置与辐射方向图测量相同。喇叭型天线通过一根精密的50Ω同轴电缆连接到信号发生器并用作发射器。信号发生器的频率被设在9.20GHz，功率电平被设在0dBm。Vivaldi天线通过同轴电缆连接到频谱分析仪，而喇叭型天线则指向Vivaldi天线。Vivaldi天线接收到的功率被显示在频谱分析仪的显示器上，根据该功率值可以计算出增益来。

　　如前所述，对Vivaldi天线的主要测量参数包括S参数、辐射方向图和增益。正如Langley et al.在199612中建议的那样，对最佳的天线性能来说S11 log magnitude应低于-15dB。一个设计合理的Vivaldi天线的辐射方向图应显示具有定向传播特性的端射式辐射方向图。天线应有中等程度的增益才能在微波成像应用中有高的发射效率。

　　本文系列文章的最后一部分将探讨哪些因素会影响对Vivaldi天线的测量。

　　本系列文章的第三部分比较了对设计制造的X波段天线的实际测量结果和利用安捷伦科技公司(www.agilent.com)提供的Advanced Design System(ADS)软件做的仿真结果。最后我们将探讨哪些因素会影响对Vivaldi天线的测量。

　　图8画出了测量得到的S11结果(以dB为单位的log magnitude相对于频率的曲线)，并与ADS仿真得到的结果进行了比较。从图中可以看出，仿真结果和测量值非常匹配。两个图中的任何差别可能源自电缆和天线输入之间的失配，因为在仿真中没有考虑这一点。在仿真期间，输入端口位于基板的边缘。但在实际测量中，SMA连接器被焊接在天线基板的里面，因此实际的传输线要比仿真中使用的传输线短。

　　

 

　　表2列出了对Vivaldi天线的S11 log magnitude性能的测量和仿真结果。感兴趣的频率是9.20GHz，在该频率点仿真和测量得到的S11 log magnitude都低于-30dB。通过比较最小点的仿真和测量结果发现，S11 log magnitude性能均低于-40dB。这表明带发射信号的低反射损耗几乎被天线完成接收。9.20GHz处的任何差异可能是制造质量引起的，虽然这个设计可以接受这些细微的差别。

　　

 

　　表3对上述频率范围内电平低于-15dB的S11 log magnitude仿真和测量数据进行了比较。数据表明天线具有很宽的频率范围，而且设计可以在9.20GHz点工作得很好，因为仿真和测量的S11参数值都小于-15dB。

　　

 

　　在该Vivaldi天线设计中发现仿真和测量得到的S11相位有一些差别(图9)。仿真只表明一次相位改变，而测量得到的数据表明有三次相位改变。在9.10到9.30GHz范围内发生了轻微的相位移动。在9.20GHz点，仿真得到的相位结果是-77.738度，而在同样频率点测量得到的结果是49.710度，相差127.448度。

　　

 

　　在9.20GHz点对Vivaldi天线的辐射方向图进行的仿真和测量结果如图10所示，从中可以看出也有一些差别。仿真结果表明，天线并不以定向方式辐射，而测量结果是定向辐射的，而且当天线和发射器面对面时辐射量很高。测量得到的辐射图案与端射式方向图相同，因此理论上讲更精确。

　　

 

　　有许多因素会影响对Vivaldi天线的测量，包括：

　　1. 用于连接Rogers RO4003C电介材料和SMA型连接器的过多焊料。过多的焊料可能会提高传导率，并改变表面电流。

　　2. 在辐射方向图测量过程中Vivaldi天线和发射器之间可能会产生某些干扰和障碍，它们会阻止辐射能量的有效传输。

　　3. 由于测量不是在自由空间完成的，因此一些环境要素可能会吸收发射出来的能量。

　　4. RO4003C电介材料制造质量的任何下降都会影响测试结果。

　　5. 与频谱分析仪一起使用的电线或同轴电缆也可能导致测量的不稳定。

　　通过计算以dB为单位的增益，可以对天线的辐射效率和整个天线系统的效率作出评估。表4对仿真和测量得到的增益进行了比较。许多因素会影响增益，包括用于建造天线的材料、材料的物理尺寸和属性、天线组件以及组装它们的方法。

　　

 

　　总之，仿真和测量结果表明，所设计制造的Vivaldi天线可以在X波段、特别是在9.20GHz点提供良好的性能。天线的设计要求完全能够得到满足，表5对此作了总结。