X频段Vivaldi天线简单设计方案

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