X頻段Vivaldi天線簡單設計方案
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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(shù)基板材料和達到適當?shù)牟劬€阻抗匹配。通過采用低介電常數(shù)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(xiàn),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??梢圆捎枚喾N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(yōu)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(yōu)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(yōu)點。這一轉換可以簡單地用常規(guī)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(shù)差異很大。本實驗性Vivaldi天線更適合在低電介常數(shù)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(shù)為3.38。采用安捷倫的ADS軟件優(yōu)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(yōu)點。一個主要優(yōu)點是這種轉換可以方便地用常規(guī)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(yōu)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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