如何簡(jiǎn)單快速的設(shè)計(jì)X頻段Vivaldi天線

　　天線對(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天線針對(duì)X頻段應(yīng)用，即8～12GHz頻段。天線對(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，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(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（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(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。為本研究設(shè)計(jì)的Vivaldi天線針對(duì)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(guò)程計(jì)算反射系數(shù)和天線中的未知電流。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天線之前，應(yīng)該仔細(xì)了解其特性。在設(shè)計(jì)和制造Vivaldi天線之前，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。 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(zhǎng)上是常數(shù)。就其本身而言，Vivaldi天線理論上為無(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(méi)有電介基板。

　　除效率和重量輕的特點(diǎn)之外，像Vivaldi天線這樣的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，側(cè)瓣低。圖1示意了一個(gè)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(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(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。