天線(xiàn)對(duì)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(xiàn)的基本行為可以用其波場(chǎng)強(qiáng)度、極化及傳播方向來(lái)描述。有沒(méi)有一種方法能讓Vivaldi天線(xiàn)在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，用一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)達(dá)到高帶寬?相信本文將給你答案。
本系列文章分為三個(gè)部分，此篇為第一部分，將說(shuō)明Vivaldi天線(xiàn)如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，本研究目標(biāo)的Vivaldi天線(xiàn)針對(duì)X頻段應(yīng)用，即8～12GHz頻段。
天線(xiàn)對(duì)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(lèi)的天線(xiàn)，但都是根據(jù)同一基本電磁原理工作的。天線(xiàn)的基本行為可以用其波場(chǎng)強(qiáng)度、極化及傳播方向來(lái)描述。在如機(jī)載雷達(dá)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(jiǎn)單。
漸變式槽縫天線(xiàn)(TSA)是Gibson在1973年提出的，非常適合滿(mǎn)足這些要求。1986年第一次分析了無(wú)襯底TSA的簡(jiǎn)單例子，隨后出現(xiàn)了更先進(jìn)的分析方法。許多早期TSA實(shí)驗(yàn)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件設(shè)計(jì)和分析工具進(jìn)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(duì)所有此項(xiàng)探討，以前對(duì)實(shí)際TSA設(shè)計(jì)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(xiàn)。
為本研究設(shè)計(jì)的Vivaldi天線(xiàn)針對(duì)X頻段應(yīng)用，即8～12 GHz頻段。天線(xiàn)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(guò)程計(jì)算反射系數(shù)和天線(xiàn)中的未知電流。隨后計(jì)算反射系數(shù)，基本函數(shù)的收斂和電流分布以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射行為。通過(guò)用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和譜分析儀進(jìn)行高頻測(cè)量來(lái)驗(yàn)證部分參數(shù)。
在計(jì)劃設(shè)計(jì)Vivaldi天線(xiàn)之前，應(yīng)該仔細(xì)了解其特性。在設(shè)計(jì)和制造Vivaldi天線(xiàn)之前，其基本組成、工作原理、輻射形式、TSA類(lèi)型、極化以及饋電技術(shù)必須仔細(xì)考慮并研究。要了解這種天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，首先采用現(xiàn)代高頻EDA工具仿真，然后制作并測(cè)量，以將性能與仿真結(jié)果相比較。
Vivaldi天線(xiàn)是一種有用的配置，原因是其簡(jiǎn)單性、寬帶寬和在微波頻率下的高增益。總的來(lái)說(shuō)，為端射輻射圖，使其成為連續(xù)一種比例、漸進(jìn)彎曲、慢泄漏端射行波天線(xiàn)。 在不同頻率下，Vivaldi天線(xiàn)的不同部分在輻射，而輻射部分的大小在波長(zhǎng)上是常數(shù)。就其本身而言，Vivaldi天線(xiàn)理論上為無(wú)限工作頻率范圍，在此范圍波束寬度為常數(shù)。文獻(xiàn)上諸如“漸變開(kāi)槽”、“槽式”、“漸變槽式”這樣的術(shù)語(yǔ)在Vivaldi天線(xiàn)中一直是互用的。這些天線(xiàn)包括蝕刻到薄金屬膜的漸變槽，在薄膜一側(cè)有或者沒(méi)有電介基板。
除效率和重量輕的特點(diǎn)之外，像Vivaldi天線(xiàn)這樣的TSA很吸引人，因?yàn)榭梢栽趯拵捁ぷ鳎a(chǎn)生對(duì)稱(chēng)端射束流，增益可觀(guān)，側(cè)瓣低。圖1示意了一個(gè)Vivaldi天線(xiàn)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(xiàn)有兩個(gè)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(xiàn)是一種“表面形”行波天線(xiàn)。電磁波沿天線(xiàn)彎曲槽路徑傳輸。與自由空間波長(zhǎng)相比，導(dǎo)體之間的分割區(qū)很小，波受到嚴(yán)格限制。隨著分割的增加，限制越來(lái)越弱，波從天線(xiàn)發(fā)射出去。這發(fā)生在邊緣分割大于一半波長(zhǎng)時(shí)。
行波沿Vivaldi天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)傳輸，因?yàn)殡姶挪ㄏ嗨傩∮谧杂煽臻g光速。因此，Vivaldi天線(xiàn)特點(diǎn)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(dǎo)波長(zhǎng)隨厚度、電介常數(shù)和漸變?cè)O(shè)計(jì)而變。
TSA可以設(shè)計(jì)為多種漸變形式。平面TSA有兩個(gè)共同特征：輻射槽作為天線(xiàn)地平面及天線(xiàn)由平衡槽線(xiàn)饋電。設(shè)計(jì)平面TSA中的難題包括采用在天線(xiàn)中采用低介電常數(shù)基板材料和達(dá)到適當(dāng)?shù)牟劬€(xiàn)阻抗匹配。通過(guò)采用低介電常數(shù)基板材料，能得到相對(duì)高的槽線(xiàn)阻抗。這樣，如果采用微帶饋電，要達(dá)到阻抗匹配就很難。因此，從微帶到槽的轉(zhuǎn)換將會(huì)限制TSA的工作帶寬。
已進(jìn)行過(guò)支撐材料彎曲對(duì)不同類(lèi)型TSA的影響的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，漸變形式的彎曲對(duì)增益、束寬和TSA帶寬影響巨大。實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)，但槽線(xiàn)仍是TSA饋電的最佳傳輸媒介。從微帶到槽線(xiàn)的轉(zhuǎn)換應(yīng)緊湊并有損失，以便將來(lái)自天線(xiàn)的微波信號(hào)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(xiàn)和微帶饋電線(xiàn)。
關(guān)于Vivaldi天線(xiàn)選擇采用微帶到槽線(xiàn)轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)將在本系列文章的下一部分詳細(xì)說(shuō)明。
本系列文章的上一部分說(shuō)明了Vivaldi天線(xiàn)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(xiàn)選擇采用微帶到槽線(xiàn)轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢(shì)所在。
與其它饋電機(jī)制相比，從微帶到槽線(xiàn)的轉(zhuǎn)換具有許多優(yōu)點(diǎn)。這一轉(zhuǎn)換可以簡(jiǎn)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(xiàn)，以達(dá)到緊湊轉(zhuǎn)換。本報(bào)告中Vivaldi天線(xiàn)就采用了這種轉(zhuǎn)換類(lèi)型(圖3)。
微波PCB中廣泛采用的微帶線(xiàn)為非平衡線(xiàn)，雖然Vivaldi天線(xiàn)要求用槽線(xiàn)傳輸線(xiàn)饋電，槽線(xiàn)傳輸線(xiàn)為平衡線(xiàn)。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(dá)多倍頻程。最好是，不平衡變壓器與頻率無(wú)關(guān)。 為說(shuō)明TSA設(shè)計(jì)的有效性，從其它可能的設(shè)計(jì)中選擇Vivaldi天線(xiàn)，因?yàn)閷?duì)這一配置已經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的研究。無(wú)論設(shè)計(jì)哪種天線(xiàn)，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(shí)驗(yàn)性Vivaldi天線(xiàn)更適合在低電介常數(shù)基板上制作轉(zhuǎn)換和Vivaldi天線(xiàn)，避免采用短鉆孔。本實(shí)驗(yàn)天線(xiàn)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(jì)。
Vivaldi天線(xiàn)選擇采用微帶到槽線(xiàn)轉(zhuǎn)換，因?yàn)榕c其它方法相比，此方法有許多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)的雙面PCB。
Kayani等在2005年提出了一種簡(jiǎn)單的集成Vivaldi天線(xiàn)。其單面設(shè)計(jì)采用了帶線(xiàn)到槽線(xiàn)耦合，如圖4。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是，與對(duì)踵Vivaldi天線(xiàn)相比，可以更小。此外，因?yàn)樘炀€(xiàn)尺寸小，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)軟件工具時(shí)，仿真時(shí)間相對(duì)要短。圖4為工作在8GHz～12GHz頻率的雙面Vivaldi天線(xiàn)示意圖，長(zhǎng)度為7.48cm，寬為2.08cm。微帶線(xiàn)的寬度為0.29cm。圓形槽端的直徑為1cm，槽線(xiàn)間隙為0.08cm。
1.構(gòu)建高頻Vivaldi天線(xiàn)物理層設(shè)計(jì)
2.選擇理想的Momentum運(yùn)行模式進(jìn)行Vivaldi天線(xiàn)仿真
3.確定需要的基板材料和其特性
4.通過(guò)前期計(jì)算采用的基板材料求基板參數(shù)
5.設(shè)計(jì)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的實(shí)際步驟將在本系列文章的下一部分詳細(xì)說(shuō)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(duì)Vivaldi天線(xiàn)，對(duì)用商用測(cè)試設(shè)備在9GHz頻段進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果和用安捷倫?司的Agilent Momentum平面EM仿真軟件進(jìn)行的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。
Vivaldi天線(xiàn)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(xiàn)可以是基于漸變開(kāi)槽天線(xiàn)(TSA)架構(gòu)的一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。作為第三部分，這篇文章比較了對(duì)這一設(shè)計(jì)制造的X波段天線(xiàn)的實(shí)際測(cè)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(diǎn)設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程在第一部分有詳細(xì)描述。該天線(xiàn)在RO4003C材料上制造，SMA邊緣連接器與天線(xiàn)的微帶線(xiàn)相粘連，SMA插座的外部地氣引腳短路到天線(xiàn)的槽線(xiàn)地平面，SMA的中心引腳則被焊接到微帶傳輸線(xiàn)。圖5給出了以這種方式制造的Vivaldi天線(xiàn)板，該天線(xiàn)板可直接用于測(cè)試和評(píng)估。
測(cè)量包括產(chǎn)生S參數(shù)和輻射方向圖。圖6是用于評(píng)估Vivaldi天線(xiàn)S11參數(shù)的測(cè)試設(shè)置實(shí)例。在進(jìn)行測(cè)量之前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)必須先完成校準(zhǔn)。然后將Vivaldi天線(xiàn)的50Ω連接器和VNA的端口1連接器通過(guò)一根50Ω的低損耗同軸電纜連接起來(lái)。VNA測(cè)量頻率范圍被設(shè)為8到12GHz。
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(jìn)行比較。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)用于輻射方向圖測(cè)量的最佳頻率是9.20GHz。用于輻射方向圖測(cè)量的測(cè)試設(shè)置如圖7所示。為了完成這些測(cè)量，需要將微波信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一根高質(zhì)量的50Ω同軸電纜連接到Vivaldi天線(xiàn)的SMA連接器。信號(hào)發(fā)生器被調(diào)諧到天線(xiàn)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(xiàn)最佳頻率，那么測(cè)量得到的輻射方向圖應(yīng)該匹配仿真結(jié)果。
將作為測(cè)量接收器并且具有合適頻率范圍的微波頻譜分析儀通過(guò)一根低損耗50Ω同軸電纜連到另一根Vivaldi天線(xiàn)，然后將該分析儀調(diào)諧到信號(hào)發(fā)生器使用的頻率范圍(8到12GHz)。
為了同時(shí)測(cè)試Vivaldi天線(xiàn)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(xiàn)可以被旋轉(zhuǎn)到不同的角度，而發(fā)射天線(xiàn)被設(shè)定在一個(gè)固定角度。這種設(shè)置對(duì)測(cè)量Vivaldi天線(xiàn)接收到的功率以及確定天線(xiàn)的極場(chǎng)輻射方向圖是非常有利的。接收天線(xiàn)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(cè)量的功率電平單位是dBm。Vivaldi天線(xiàn)發(fā)射的功率可以通過(guò)將作為發(fā)射器的Vivaldi天線(xiàn)代替喇叭和拋物線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)得到。
增益測(cè)量測(cè)試設(shè)置與輻射方向圖測(cè)量相同。喇叭型天線(xiàn)通過(guò)一根精密的50Ω同軸電纜連接到信號(hào)發(fā)生器并用作發(fā)射器。信號(hào)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(xiàn)通過(guò)同軸電纜連接到頻譜分析儀，而喇叭型天線(xiàn)則指向Vivaldi天線(xiàn)。Vivaldi天線(xiàn)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(jì)算出增益來(lái)。
如前所述，對(duì)Vivaldi天線(xiàn)的主要測(cè)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(duì)最佳的天線(xiàn)性能來(lái)說(shuō)S11 log magnitude應(yīng)低于-15dB。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的Vivaldi天線(xiàn)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(xiàn)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。
本系列文章的第三部分比較了對(duì)設(shè)計(jì)制造的X波段天線(xiàn)的實(shí)際測(cè)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(huì)影響對(duì)Vivaldi天線(xiàn)的測(cè)量。
圖8畫(huà)出了測(cè)量得到的S11結(jié)果(以dB為單位的log magnitude相對(duì)于頻率的曲線(xiàn))，并與ADS仿真得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。從圖中可以看出，仿真結(jié)果和測(cè)量值非常匹配。兩個(gè)圖中的任何差別可能源自電纜和天線(xiàn)輸入之間的失配，因?yàn)樵诜抡嬷袥](méi)有考慮這一點(diǎn)。在仿真期間，輸入端口位于基板的邊緣。但在實(shí)際測(cè)量中，SMA連接器被焊接在天線(xiàn)基板的里面，因此實(shí)際的傳輸線(xiàn)要比仿真中使用的傳輸線(xiàn)短。
表2列出了對(duì)Vivaldi天線(xiàn)的S11 log magnitude性能的測(cè)量和仿真結(jié)果。感興趣的頻率是9.20GHz，在該頻率點(diǎn)仿真和測(cè)量得到的S11 log magnitude都低于-30dB。通過(guò)比較最小點(diǎn)的仿真和測(cè)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(hào)的低反射損耗幾乎被天線(xiàn)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(gè)設(shè)計(jì)可以接受這些細(xì)微的差別。
表3對(duì)上述頻率范圍內(nèi)電平低于-15dB的S11 log magnitude仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。數(shù)據(jù)表明天線(xiàn)具有很寬的頻率范圍，而且設(shè)計(jì)可以在9.20GHz點(diǎn)工作得很好，因?yàn)榉抡婧蜏y(cè)量的S11參數(shù)值都小于-15dB。
在該Vivaldi天線(xiàn)設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)仿真和測(cè)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(cè)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(dòng)。在9.20GHz點(diǎn)，仿真得到的相位結(jié)果是-77.738度，而在同樣頻率點(diǎn)測(cè)量得到的結(jié)果是49.710度，相差127.448度。
在9.20GHz點(diǎn)對(duì)Vivaldi天線(xiàn)的輻射方向圖進(jìn)行的仿真和測(cè)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(xiàn)并不以定向方式輻射，而測(cè)量結(jié)果是定向輻射的，而且當(dāng)天線(xiàn)和發(fā)射器面對(duì)面時(shí)輻射量很高。測(cè)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。
有許多因素會(huì)影響對(duì)Vivaldi天線(xiàn)的測(cè)量，包括：
1. 用于連接Rogers RO4003C電介材料和SMA型連接器的過(guò)多焊料。過(guò)多的焊料可能會(huì)提高傳導(dǎo)率，并改變表面電流。
2. 在輻射方向圖測(cè)量過(guò)程中Vivaldi天線(xiàn)和發(fā)射器之間可能會(huì)產(chǎn)生某些干擾和障礙，它們會(huì)阻止輻射能量的有效傳輸。
3. 由于測(cè)量不是在自由空間完成的，因此一些環(huán)境要素可能會(huì)吸收發(fā)射出來(lái)的能量。
4. RO4003C電介材料制造質(zhì)量的任何下降都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。
5. 與頻譜分析儀一起使用的電線(xiàn)或同軸電纜也可能導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定。
通過(guò)計(jì)算以dB為單位的增益，可以對(duì)天線(xiàn)的輻射效率和整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的效率作出評(píng)估。表4對(duì)仿真和測(cè)量得到的增益進(jìn)行了比較。許多因素會(huì)影響增益，包括用于建造天線(xiàn)的材料、材料的物理尺寸和屬性、天線(xiàn)組件以及組裝它們的方法。
總之，仿真和測(cè)量結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)制造的Vivaldi天線(xiàn)可以在X波段、特別是在9.20GHz點(diǎn)提供良好的性能。天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求完全能夠得到滿(mǎn)足，表5對(duì)此作了總結(jié)。
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