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　　天線對發(fā)射和接收電磁(EM)能量的高頻通信和電子系統(tǒng)很關(guān)鍵。天線的基本行為可以用其波場強度、極化及傳播方向來描述。有沒有一種方法能讓Vivaldi天線在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，用一種簡單設(shè)計達到高帶寬?相信本文將給你答案。

　　本系列文章分為三個部分，此篇為第一部分，將說明Vivaldi天線如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，本研究目標的Vivaldi天線針對X頻段應(yīng)用，即8～12GHz頻段。

　　天線對發(fā)射和接收電磁(EM)能量的高頻通信和電子系統(tǒng)很關(guān)鍵。雖然有許多不同種類的天線，但都是根據(jù)同一基本電磁原理工作的。天線的基本行為可以用其波場強度、極化及傳播方向來描述。在如機載雷達和通訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵要求包括效率高、帶寬大、重量輕、體積小及簡單。

　　漸變式槽縫天線(TSA)是Gibson在1973年提出的，非常適合滿足這些要求。1986年第一次分析了無襯底TSA的簡單例子，隨后出現(xiàn)了更先進的分析方法。許多早期TSA實驗用電子設(shè)計自動化(EDA)軟件設(shè)計和分析工具進行，如Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS)和Computer Simulation Technology公司的CST Microwave Studio。但對所有此項探討，以前對實際TSA設(shè)計的研究都不夠，因此本文將給出一款高頻單端指數(shù)Vivaldi天線。

　　為本研究設(shè)計的Vivaldi天線針對X頻段應(yīng)用，即8～12 GHz頻段。天線采用安捷倫科技公司的Advanced Design System (ADS) EDA軟件工具模型化并仿真，采用矩量法(MoM)分析。此方法基于精確的格林函數(shù);用于ADS中的基于MoM的過程計算反射系數(shù)和天線中的未知電流。隨后計算反射系數(shù)，基本函數(shù)的收斂和電流分布以及遠場輻射行為。通過用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和譜分析儀進行高頻測量來驗證部分參數(shù)。

　　在計劃設(shè)計Vivaldi天線之前，應(yīng)該仔細了解其特性。在設(shè)計和制造Vivaldi天線之前，其基本組成、工作原理、輻射形式、TSA類型、極化以及饋電技術(shù)必須仔細考慮并研究。要了解這種天線的設(shè)計，首先采用現(xiàn)代高頻EDA工具仿真，然后制作并測量，以將性能與仿真結(jié)果相比較。

　　Vivaldi天線是一種有用的配置，原因是其簡單性、寬帶寬和在微波頻率下的高增益。總的來說，為端射輻射圖，使其成為連續(xù)一種比例、漸進彎曲、慢泄漏端射行波天線。 在不同頻率下，Vivaldi天線的不同部分在輻射，而輻射部分的大小在波長上是常數(shù)。就其本身而言，Vivaldi天線理論上為無限工作頻率范圍，在此范圍波束寬度為常數(shù)。文獻上諸如“漸變開槽”、“槽式”、“漸變槽式”這樣的術(shù)語在Vivaldi天線中一直是互用的。這些天線包括蝕刻到薄金屬膜的漸變槽，在薄膜一側(cè)有或者沒有電介基板。

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　　除效率和重量輕的特點之外，像Vivaldi天線這樣的TSA很吸引人，因為可以在寬帶寬工作，產(chǎn)生對稱端射束流，增益可觀，側(cè)瓣低。圖1示意了一個Vivaldi天線的基本結(jié)構(gòu)，WE為輸入槽寬度，WA為輻射區(qū)槽寬度，WO為輸出槽寬度。Vivaldi天線有兩個傳播和輻射區(qū)：

　　1. 由WE< W< WA 定義的區(qū)域。

　　2. 由WA < W{ < WO定義的區(qū)域。

　　Vivaldi天線是一種“表面形”行波天線。電磁波沿天線彎曲槽路徑傳輸。與自由空間波長相比，導體之間的分割區(qū)很小，波受到嚴格限制。隨著分割的增加，限制越來越弱，波從天線發(fā)射出去。這發(fā)生在邊緣分割大于一半波長時。

　　行波沿Vivaldi天線的結(jié)構(gòu)傳輸，因為電磁波相速小于自由空間光速。因此，Vivaldi天線特點是端射式輻射，如圖 2所示。相速限制情況與空氣電介質(zhì)情況有關(guān)，因此束寬和副瓣水平比現(xiàn)有電介基板的情況大得多。此外，相速和導波長隨厚度、電介常數(shù)和漸變設(shè)計而變。

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　　TSA可以設(shè)計為多種漸變形式。平面TSA有兩個共同特征：輻射槽作為天線地平面及天線由平衡槽線饋電。設(shè)計平面TSA中的難題包括采用在天線中采用低介電常數(shù)基板材料和達到適當?shù)牟劬€阻抗匹配。通過采用低介電常數(shù)基板材料，能得到相對高的槽線阻抗。這樣，如果采用微帶饋電，要達到阻抗匹配就很難。因此，從微帶到槽的轉(zhuǎn)換將會限制TSA的工作帶寬。

　　已進行過支撐材料彎曲對不同類型TSA的影響的試驗研究。實驗表明，漸變形式的彎曲對增益、束寬和TSA帶寬影響巨大。實際上，饋電一般決定了高頻限，而孔徑尺寸決定了低頻限。因此，要使TSA帶寬最大化，合理設(shè)計饋電結(jié)構(gòu)很關(guān)鍵。雖然微波集成電路(MIC)一般用微帶實現(xiàn)，但槽線仍是TSA饋電的最佳傳輸媒介。從微帶到槽線的轉(zhuǎn)換應(yīng)緊湊并有損失，以便將來自天線的微波信號耦合到平面微帶電路。可以采用多種饋電技術(shù)，最常用的方法是同軸饋電線和微帶饋電線。

　　關(guān)于Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢將在本系列文章的下一部分詳細說明。

　　本系列文章的上一部分說明了Vivaldi天線如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，下面將介紹Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢所在。

　　與其它饋電機制相比，從微帶到槽線的轉(zhuǎn)換具有許多優(yōu)點。這一轉(zhuǎn)換可以簡單地用常規(guī)光刻工藝制造。此外，雙面印刷電路板(PCB)的制作可以一側(cè)用微帶，另一側(cè)用槽線，以達到緊湊轉(zhuǎn)換。本報告中Vivaldi天線就采用了這種轉(zhuǎn)換類型(圖3)。

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　　微波PCB中廣泛采用的微帶線為非平衡線，雖然Vivaldi天線要求用槽線傳輸線饋電，槽線傳輸線為平衡線。非平衡到平衡傳輸所需要的不平衡變壓器必須工作在至少兩倍頻程，甚至高達多倍頻程。最好是，不平衡變壓器與頻率無關(guān)。 為說明TSA設(shè)計的有效性，從其它可能的設(shè)計中選擇Vivaldi天線，因為對這一配置已經(jīng)進行過大量的研究。無論設(shè)計哪種天線，電介質(zhì)基板材料的選擇都很關(guān)鍵。有很多基板材料可選，而其特性和介電常數(shù)差異很大。本實驗性Vivaldi天線更適合在低電介常數(shù)基板上制作轉(zhuǎn)換和Vivaldi天線，避免采用短鉆孔。本實驗天線用Rogers公司(www.rogerscorporation.com)的RO4003C基板材料制作，此材料的介電常數(shù)為3.38。采用安捷倫的ADS軟件優(yōu)化用于8GHz～12GHz的設(shè)計。

　　Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉(zhuǎn)換，因為與其它方法相比，此方法有許多優(yōu)點。一個主要優(yōu)點是這種轉(zhuǎn)換可以方便地用常規(guī)照相蝕刻工藝制作，可以做成一側(cè)用微帶而另一側(cè)用槽線的雙面PCB。

　　Kayani等在2005年提出了一種簡單的集成Vivaldi天線。其單面設(shè)計采用了帶線到槽線耦合，如圖4。這一設(shè)計的最大優(yōu)點是，與對踵Vivaldi天線相比，可以更小。此外，因為天線尺寸小，采用計算機輔助設(shè)計(CAE)軟件工具時，仿真時間相對要短。圖4為工作在8GHz～12GHz頻率的雙面Vivaldi天線示意圖，長度為7.48cm，寬為2.08cm。微帶線的寬度為0.29cm。圓形槽端的直徑為1cm，槽線間隙為0.08cm。

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采用Agilent的ADS軟件套件Momentum EM分析工具設(shè)計和仿真的過程有很多步驟：

　　1.構(gòu)建高頻Vivaldi天線物理層設(shè)計

　　2.選擇理想的Momentum運行模式進行Vivaldi天線仿真

　　3.確定需要的基板材料和其特性

　　4.通過前期計算采用的基板材料求基板參數(shù)

　　5.設(shè)計天線口并定義其特性

　　6.建立并生成電路網(wǎng)

　　7.建立并仿真Vivaldi天線的性能

　　8.查看S參數(shù)和輻射圖結(jié)果。

　　用Momentum軟件構(gòu)建并仿真Vivaldi天線的實際步驟將在本系列文章的下一部分詳細說明，下一部分將發(fā)表在《微波與射頻》(Microwaves & RF)雜志的2008年8月刊上。在第三部分，將給出針對Vivaldi天線，對用商用測試設(shè)備在9GHz頻段進行的測量結(jié)果和用安捷倫?司的Agilent Momentum平面EM仿真軟件進行的仿真結(jié)果進行比較。

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　　Vivaldi天線可以在微波頻段提供優(yōu)秀的定向傳播性能。正如本文前兩部分介紹的那樣，Vivaldi天線可以是基于漸變開槽天線(TSA)架構(gòu)的一種簡單設(shè)計。作為第三部分，這篇文章比較了對這一設(shè)計制造的X波段天線的實際測量結(jié)果和利用安捷倫科技公司(www.agilent.com)提供的Advanced Design System(ADS)軟件做的仿真結(jié)果。

　　利用安捷倫?司ADS軟件套件中的Agilent Momentum EM分析工具所做的八點設(shè)計和仿真過程在第一部分有詳細描述。該天線在RO4003C材料上制造，SMA邊緣連接器與天線的微帶線相粘連，SMA插座的外部地氣引腳短路到天線的槽線地平面，SMA的中心引腳則被焊接到微帶傳輸線。圖5給出了以這種方式制造的Vivaldi天線板，該天線板可直接用于測試和評估。

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　　測量包括產(chǎn)生S參數(shù)和輻射方向圖。圖6是用于評估Vivaldi天線S11參數(shù)的測試設(shè)置實例。在進行測量之前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)必須先完成校準。然后將Vivaldi天線的50Ω連接器和VNA的端口1連接器通過一根50Ω的低損耗同軸電纜連接起來。VNA測量頻率范圍被設(shè)為8到12GHz。

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　　一旦從VNA獲得S11 log magnitude值，就能與Momentum分析得到的仿真結(jié)果進行比較。通過比較可以發(fā)現(xiàn)用于輻射方向圖測量的最佳頻率是9.20GHz。用于輻射方向圖測量的測試設(shè)置如圖7所示。為了完成這些測量，需要將微波信號發(fā)生器通過一根高質(zhì)量的50Ω同軸電纜連接到Vivaldi天線的SMA連接器。信號發(fā)生器被調(diào)諧到天線的最佳頻率9.20GHz，它的輸出功率電平被設(shè)為+10dBm。如果這是正確的天線最佳頻率，那么測量得到的輻射方向圖應(yīng)該匹配仿真結(jié)果。

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　　將作為測量接收器并且具有合適頻率范圍的微波頻譜分析儀通過一根低損耗50Ω同軸電纜連到另一根Vivaldi天線，然后將該分析儀調(diào)諧到信號發(fā)生器使用的頻率范圍(8到12GHz)。

　　為了同時測試Vivaldi天線發(fā)射器和接收器，發(fā)射器和接收器之間的距離應(yīng)設(shè)置在1米或1米以上。接收天線可以被旋轉(zhuǎn)到不同的角度，而發(fā)射天線被設(shè)定在一個固定角度。這種設(shè)置對測量Vivaldi天線接收到的功率以及確定天線的極場輻射方向圖是非常有利的。接收天線能以10度的步距在0到360度內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)，頻譜分析儀上測量的功率電平單位是dBm。Vivaldi天線發(fā)射的功率可以通過將作為發(fā)射器的Vivaldi天線代替喇叭和拋物線發(fā)射天線得到。

　　增益測量測試設(shè)置與輻射方向圖測量相同。喇叭型天線通過一根精密的50Ω同軸電纜連接到信號發(fā)生器并用作發(fā)射器。信號發(fā)生器的頻率被設(shè)在9.20GHz，功率電平被設(shè)在0dBm。Vivaldi天線通過同軸電纜連接到頻譜分析儀，而喇叭型天線則指向Vivaldi天線。Vivaldi天線接收到的功率被顯示在頻譜分析儀的顯示器上，根據(jù)該功率值可以計算出增益來。

　　如前所述，對Vivaldi天線的主要測量參數(shù)包括S參數(shù)、輻射方向圖和增益。正如Langley et al.在199612中建議的那樣，對最佳的天線性能來說S11 log magnitude應(yīng)低于-15dB。一個設(shè)計合理的Vivaldi天線的輻射方向圖應(yīng)顯示具有定向傳播特性的端射式輻射方向圖。天線應(yīng)有中等程度的增益才能在微波成像應(yīng)用中有高的發(fā)射效率。

　　本文系列文章的最后一部分將探討哪些因素會影響對Vivaldi天線的測量。

　　本系列文章的第三部分比較了對設(shè)計制造的X波段天線的實際測量結(jié)果和利用安捷倫科技公司(www.agilent.com)提供的Advanced Design System(ADS)軟件做的仿真結(jié)果。最后我們將探討哪些因素會影響對Vivaldi天線的測量。

　　圖8畫出了測量得到的S11結(jié)果(以dB為單位的log magnitude相對于頻率的曲線)，并與ADS仿真得到的結(jié)果進行了比較。從圖中可以看出，仿真結(jié)果和測量值非常匹配。兩個圖中的任何差別可能源自電纜和天線輸入之間的失配，因為在仿真中沒有考慮這一點。在仿真期間，輸入端口位于基板的邊緣。但在實際測量中，SMA連接器被焊接在天線基板的里面，因此實際的傳輸線要比仿真中使用的傳輸線短。

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　　表2列出了對Vivaldi天線的S11 log magnitude性能的測量和仿真結(jié)果。感興趣的頻率是9.20GHz，在該頻率點仿真和測量得到的S11 log magnitude都低于-30dB。通過比較最小點的仿真和測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，S11 log magnitude性能均低于-40dB。這表明帶發(fā)射信號的低反射損耗幾乎被天線完成接收。9.20GHz處的任何差異可能是制造質(zhì)量引起的，雖然這個設(shè)計可以接受這些細微的差別。

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　　表3對上述頻率范圍內(nèi)電平低于-15dB的S11 log magnitude仿真和測量數(shù)據(jù)進行了比較。數(shù)據(jù)表明天線具有很寬的頻率范圍，而且設(shè)計可以在9.20GHz點工作得很好，因為仿真和測量的S11參數(shù)值都小于-15dB。

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　　在該Vivaldi天線設(shè)計中發(fā)現(xiàn)仿真和測量得到的S11相位有一些差別(圖9)。仿真只表明一次相位改變，而測量得到的數(shù)據(jù)表明有三次相位改變。在9.10到9.30GHz范圍內(nèi)發(fā)生了輕微的相位移動。在9.20GHz點，仿真得到的相位結(jié)果是-77.738度，而在同樣頻率點測量得到的結(jié)果是49.710度，相差127.448度。

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　　在9.20GHz點對Vivaldi天線的輻射方向圖進行的仿真和測量結(jié)果如圖10所示，從中可以看出也有一些差別。仿真結(jié)果表明，天線并不以定向方式輻射，而測量結(jié)果是定向輻射的，而且當天線和發(fā)射器面對面時輻射量很高。測量得到的輻射圖案與端射式方向圖相同，因此理論上講更精確。

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　　有許多因素會影響對Vivaldi天線的測量，包括：

　　1. 用于連接Rogers RO4003C電介材料和SMA型連接器的過多焊料。過多的焊料可能會提高傳導率，并改變表面電流。

　　2. 在輻射方向圖測量過程中Vivaldi天線和發(fā)射器之間可能會產(chǎn)生某些干擾和障礙，它們會阻止輻射能量的有效傳輸。

　　3. 由于測量不是在自由空間完成的，因此一些環(huán)境要素可能會吸收發(fā)射出來的能量。

　　4. RO4003C電介材料制造質(zhì)量的任何下降都會影響測試結(jié)果。

　　5. 與頻譜分析儀一起使用的電線或同軸電纜也可能導致測量的不穩(wěn)定。

　　通過計算以dB為單位的增益，可以對天線的輻射效率和整個天線系統(tǒng)的效率作出評估。表4對仿真和測量得到的增益進行了比較。許多因素會影響增益，包括用于建造天線的材料、材料的物理尺寸和屬性、天線組件以及組裝它們的方法。

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　　總之，仿真和測量結(jié)果表明，所設(shè)計制造的Vivaldi天線可以在X波段、特別是在9.20GHz點提供良好的性能。天線的設(shè)計要求完全能夠得到滿足，表5對此作了總結(jié)。