X频段Vivaldi天线简单设计方案

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。