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如何简单快速的设计X频段Vivaldi天线

2075112 2020-08-19 | pdf | 0.48 MB | 次下载 | 1积分

资料介绍

　　天线对发射和接收电磁（EM）能量的高频通信和电子系统很关键。天线的基本行为可以用其波场强度、极化及传播方向来描述。有没有一种方法能让Vivaldi天线在微波频率下提供杰出的方向传播性，用一种简单设计达到高带宽？相信本文将给你答案。本系列文章分为三个部分，此篇为第一部分，将说明Vivaldi天线如何在微波频率下提供杰出的方向传播性，本研究目标的Vivaldi天线针对X频段应用，即8～12GHz频段。天线对发射和接收电磁（EM）能量的高频通信和电子系统很关键。虽然有许多不同种类的天线，但都是根据同一基本电磁原理工作的。天线的基本行为可以用其波场强度、极化及传播方向来描述。在如机载雷达和通讯系统中的关键要求包括效率高、带宽大、重量轻、体积小及简单。渐变式槽缝天线（TSA）是Gibson在1973年提出的，非常适合满足这些要求。1986年第一次分析了无衬底TSA的简单例子，随后出现了更先进的分析方法。许多早期TSA实验用电子设计自动化（EDA）软件设计和分析工具进行，如Ansoft公司的高频结构仿真器（HFSS）和Computer Simulation Technology公司的CST Microwave Studio。但对所有此项探讨，以前对实际 TSA设计的研究都不够，因此本文将给出一款高频单端指数Vivaldi天线。为本研究设计的Vivaldi天线针对X频段应用，即8～12 GHz频段。天线采用安捷伦科技公司的Advanced Design System （ADS） EDA软件工具模型化并仿真，采用矩量法（MoM）分析。此方法基于精确的格林函数;用于ADS中的基于MoM的过程计算反射系数和天线中的未知电流。随后计算反射系数，基本函数的收敛和电流分布以及远场辐射行为。通过用微波矢量网络分析仪（VNA）和谱分析仪进行高频测量来验证部分参数。在计划设计Vivaldi天线之前，应该仔细了解其特性。在设计和制造Vivaldi天线之前，其基本组成、工作原理、辐射形式、TSA类型、极化以及馈电技术必须仔细考虑并研究。要了解这种天线的设计，首先采用现代高频EDA工具仿真，然后制作并测量，以将性能与仿真结果相比较。 Vivaldi天线是一种有用的配置，原因是其简单性、宽带宽和在微波频率下的高增益。总的来说，为端射辐射图，使其成为连续一种比例、渐进弯曲、慢泄漏端射行波天线。在不同频率下，Vivaldi天线的不同部分在辐射，而辐射部分的大小在波长上是常数。就其本身而言，Vivaldi天线理论上为无限工作频率范围，在此范围波束宽度为常数。文献上诸如“渐变开槽”、“槽式”、“渐变槽式”这样的术语在Vivaldi天线中一直是互用的。这些天线包括蚀刻到薄金属膜的渐变槽，在薄膜一侧有或者没有电介基板。

　　除效率和重量轻的特点之外，像Vivaldi天线这样的TSA很吸引人，因为可以在宽带宽工作，产生对称端射束流，增益可观，侧瓣低。图1示意了一个Vivaldi天线的基本结构，WE为输入槽宽度，WA为辐射区槽宽度，WO为输出槽宽度。Vivaldi天线有两个传播和辐射区： 1. 由WE《 W《 WA 定义的区域。 2. 由WA 《 W{ 《 WO定义的区域。 Vivaldi天线是一种“表面形”行波天线。电磁波沿天线弯曲槽路径传输。与自由空间波长相比，导体之间的分割区很小，波受到严格限制。随着分割的增加，限制越来越弱，波从天线发射出去。这发生在边缘分割大于一半波长时。行波沿Vivaldi天线的结构传输，因为电磁波相速小于自由空间光速。因此，Vivaldi天线特点是端射式辐射，如图 2所示。相速限制情况与空气电介质情况有关，因此束宽和副瓣水平比现有电介基板的情况大得多。此外，相速和导波长随厚度、电介常数和渐变设计而变。