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　　天線對發射和接收電磁(EM)能量的高頻通信和電子系統很關鍵。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頻段應用，即8～12GHz頻段。

　　天線對發射和接收電磁(EM)能量的高頻通信和電子系統很關鍵。雖然有許多不同種類的天線，但都是根據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中的關鍵要求包括效率高、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，隨后出現了更先進的分析方法。許多早期TSA實驗用電子設計自動化(EDA)軟件設計和分析工具進行，如Ansoft公司的高頻結構仿真器(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設計的研究都不夠，因此本文將給出一款高頻單端指數Vivaldi天線。

　　為本研究設計的Vivaldi天線針對X頻段應用，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;用于ADS中的基于MoM的過程計算反射系數和天線中的未知電流。隨后計算反射系數，基本函數的收斂和電流分布以及遠場輻射行為。通過用微波矢量網絡分析儀(VNA)和譜分析儀進行高頻測量來驗證部分參數。

　　在計劃設計Vivaldi天線之前，應該仔細了解其特性。在設計和制造Vivaldi天線之前，其基本組成、工作原理、輻射形式、TSA類型、極化以及饋電技術必須仔細考慮并研究。要了解這種天線的設計，首先采用現代高頻EDA工具仿真，然后制作并測量，以將性能與仿真結果相比較。

　　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。總的來說，為端射輻射圖，使其成為連續一種比例、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。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。文獻上諸如“漸變開槽”、“槽式”、“漸變槽式”這樣的術語在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，在薄膜一側有或者沒有電介基板。

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　　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，產生對稱端射束流，增益可觀，側瓣低。圖1示意了一個Vivaldi天線的基本結構，WE為輸入槽寬度，WA為輻射區槽寬度，WO為輸出槽寬度。Vivaldi天線有兩個傳播和輻射區：

　　1. 由WE< W< WA 定義的區域。

　　2. 由WA < W{ < WO定義的區域。

　　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，導體之間的分割區很小，波受到嚴格限制。隨著分割的增加，限制越來越弱，波從天線發射出去。這發生在邊緣分割大于一半波長時。

　　行波沿Vivaldi天線的結構傳輸，因為電磁波相速小于自由空間光速。因此，Vivaldi天線特點是端射式輻射，如圖 2所示。相速限制情況與空氣電介質情況有關，因此束寬和副瓣水平比現有電介基板的情況大得多。此外，相速和導波長隨厚度、電介常數和漸變設計而變。

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　　TSA可以設計為多種漸變形式。平面TSA有兩個共同特征：輻射槽作為天線地平面及天線由平衡槽線饋電。設計平面TSA中的難題包括采用在天線中采用低介電常數基板材料和達到適當的槽線阻抗匹配。通過采用低介電常數基板材料，能得到相對高的槽線阻抗。這樣，如果采用微帶饋電，要達到阻抗匹配就很難。因此，從微帶到槽的轉換將會限制TSA的工作帶寬。

　　已進行過支撐材料彎曲對不同類型TSA的影響的試驗研究。實驗表明，漸變形式的彎曲對增益、束寬和TSA帶寬影響巨大。實際上，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，合理設計饋電結構很關鍵。雖然微波集成電路(MIC)一般用微帶實現，但槽線仍是TSA饋電的最佳傳輸媒介。從微帶到槽線的轉換應緊湊并有損失，以便將來自天線的微波信號耦合到平面微帶電路。可以采用多種饋電技術，最常用的方法是同軸饋電線和微帶饋電線。

　　關于Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉換的優勢將在本系列文章的下一部分詳細說明。

　　本系列文章的上一部分說明了Vivaldi天線如何在微波頻率下提供杰出的方向傳播性，下面將介紹Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉換的優勢所在。

　　與其它饋電機制相比，從微帶到槽線的轉換具有許多優點。這一轉換可以簡單地用常規光刻工藝制造。此外，雙面印刷電路板(PCB)的制作可以一側用微帶，另一側用槽線，以達到緊湊轉換。本報告中Vivaldi天線就采用了這種轉換類型(圖3)。

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　　微波PCB中廣泛采用的微帶線為非平衡線，雖然Vivaldi天線要求用槽線傳輸線饋電，槽線傳輸線為平衡線。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，甚至高達多倍頻程。最好是，不平衡變壓器與頻率無關。 為說明TSA設計的有效性，從其它可能的設計中選擇Vivaldi天線，因為對這一配置已經進行過大量的研究。無論設計哪種天線，電介質基板材料的選擇都很關鍵。有很多基板材料可選，而其特性和介電常數差異很大。本實驗性Vivaldi天線更適合在低電介常數基板上制作轉換和Vivaldi天線，避免采用短鉆孔。本實驗天線用Rogers公司(www.rogerscorporation.com)的RO4003C基板材料制作，此材料的介電常數為3.38。采用安捷倫的ADS軟件優化用于8GHz～12GHz的設計。

　　Vivaldi天線選擇采用微帶到槽線轉換，因為與其它方法相比，此方法有許多優點。一個主要優點是這種轉換可以方便地用常規照相蝕刻工藝制作，可以做成一側用微帶而另一側用槽線的雙面PCB。

　　Kayani等在2005年提出了一種簡單的集成Vivaldi天線。其單面設計采用了帶線到槽線耦合，如圖4。這一設計的最大優點是，與對踵Vivaldi天線相比，可以更小。此外，因為天線尺寸小，采用計算機輔助設計(CAE)軟件工具時，仿真時間相對要短。圖4為工作在8GHz～12GHz頻率的雙面Vivaldi天線示意圖，長度為7.48cm，寬為2.08cm。微帶線的寬度為0.29cm。圓形槽端的直徑為1cm，槽線間隙為0.08cm。

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