X頻段Vivaldi天線簡單設(shè)計方案

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?？偟膩碚f，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。

　　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(dǎo)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