X频段Vivaldi天线简单设计方案

　　1.构建高频Vivaldi天线物理层设计

　　2.选择理想的Momentum运行模式进行Vivaldi天线仿真

　　3.确定需要的基板材料和其特性

　　4.通过前期计算采用的基板材料求基板参数

　　5.设计天线口并定义其特性

　　6.建立并生成电路网

　　7.建立并仿真Vivaldi天线的性能

　　8.查看S参数和辐射图结果。

　　用Momentum软件构建并仿真Vivaldi天线的实际步骤将在本系列文章的下一部分详细说明，下一部分将发表在《微波与射频》(Microwaves & RF)杂志的2008年8月刊上。在第三部分，将给出针对Vivaldi天线，对用商用测试设备在9GHz频段进行的测量结果和用安捷伦?司的Agilent Momentum平面EM仿真软件进行的仿真结果进行比较。

　　Vivaldi天线可以在微波频段提供优秀的定向传播性能。正如本文前两部分介绍的那样，Vivaldi天线可以是基于渐变开槽天线(TSA)架构的一种简单设计。作为第三部分，这篇文章比较了对这一设计制造的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。

　　利用安捷伦?司ADS软件套件中的Agilent Momentum EM分析工具所做的八点设计和仿真过程在第一部分有详细描述。该天线在RO4003C材料上制造，SMA边缘连接器与天线的微带线相粘连，SMA插座的外部地气引脚短路到天线的槽线地平面，SMA的中心引脚则被焊接到微带传输线。图5给出了以这种方式制造的Vivaldi天线板，该天线板可直接用于测试和评估。

　　测量包括产生S参数和辐射方向图。图6是用于评估Vivaldi天线S11参数的测试设置实例。在进行测量之前，矢量网络分析仪(VNA)必须先完成校准。然后将Vivaldi天线的50Ω连接器和VNA的端口1连接器通过一根50Ω的低损耗同轴电缆连接起来。VNA测量频率范围被设为8到12GHz。

　　一旦从VNA获得S11 log magnitude值，就能与Momentum分析得到的仿真结果进行比较。通过比较可以发现用于辐射方向图测量的最佳频率是9.20GHz。用于辐射方向图测量的测试设置如图7所示。为了完成这些测量，需要将微波信号发生器通过一根高质量的50Ω同轴电缆连接到Vivaldi天线的SMA连接器。信号发生器被调谐到天线的最佳频率9.20GHz，它的输出功率电平被设为+10dBm。如果这是正确的天线最佳频率，那么测量得到的辐射方向图应该匹配仿真结果。

　　将作为测量接收器并且具有合适频率范围的微波频谱分析仪通过一根低损耗50Ω同轴电缆连到另一根Vivaldi天线，然后将该分析仪调谐到信号发生器使用的频率范围(8到12GHz)。

　　为了同时测试Vivaldi天线发射器和接收器，发射器和接收器之间的距离应设置在1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。