Design en X-Band Vivaldi-antenne.

Design en X-Band Vivaldi-antenne.

Denne filtypen inneholder grafikk og skjema med hoy opplosning nar det er aktuelt.

Antenner er essensielle for hoyfrekvent kommunikasjon og elektroniske systemer for utstraling eller mottak av elektromagnetisk (EM) energi. Selv om det finnes mange typer antenner, opererer de alle i henhold til de samme grunnleggende EM-prinsippene. Den grunnleggende oppforelsen til en antenne kan beskrives ved dens bolgefeltstyrke, polarisasjon og utbredelsesretning. 1 Nodvendige krav i applikasjoner som luftbarne radar- og kommunikasjonssystemer inkluderer hoy effektivitet, bred bandbredde, lettvekt, liten storrelse og enkelhet. 2.

Den avsmalne sporantennen (TSA), som ble introdusert av Gibson i 1979, 3 er velegnet til a mote disse kravene. I 1986 ble det enkle tilfellet av en TSA uten substrat forst analysert, 4 med mer avanserte analysemetoder a folge. Mange av de tidlige TSA-eksperimentene ble utfort med EDA-programvareutforming og analyseverktoy, for eksempel HFSS fra High Definition (HFSS) fra Ansoft (www.ansoft.com) og CST Microwave Studio fra Computer Simulation Technology (www .cst.com). Men for all denne undersokelsen har det v rt utilstrekkelig studie av et praktisk TSA-design, en highfrequency-ensidig eksponentiell Vivaldi-antenne, slik den presenteres her.

Vivaldi-antennen utviklet for nav rende studiemal bruker i X-bandfrekvenser, nominelt fra 8 til 12 GHz. 5 Antennen ble modellert og simulert med EDAs programvareverktoy fra Advanced Design System (ADS) fra Agilent Technologies (www.agilent.com) ved hjelp av metode for Moments (MoM) analyse. Denne metoden er basert pa den noyaktige Green-funksjonen; Den MoM-baserte prosedyren som brukes i ADS, beregner refleksjonskoeffisienten og de ukjente stromstrommene pa antennen. Den beregner deretter refleksjonskoeffisienter, konvergensen av grunnleggende funksjoner og gjeldende distribusjoner, og fjernfelt straleadferd. Noen av disse parametrene er validert av hoyfrekvente malinger med en mikrobolgevektorvektoranalysator (VNA) og en spektrumanalysator.

For du forsoker a designe en Vivaldi-antenne, bor dens egenskaper v re godt forstatt. Dens grunnleggende konstruksjon, driftsprinsipper, stralingsmonstre, typer TSAs, polarisering og matteknikker ma vurderes og studeres for du fortsetter med utforming og fabrikasjon av en Vivaldi-antenne. For a forsta utformingen av en slik antenne, blir den forst simulert ved hjelp av moderne hoyfrekvente EDA-verktoy og deretter fabrikkert og malt for a sammenligne ytelsen med simuleringer.

En Vivaldi-antenne er en nyttig konfigurasjon pa grunn av sin enkelhet, bred bandbredde og hoy forsterkning ved mikrobolgefrekvenser. Generelt har den et avsluttende brannmonster, noe som gjor det til et medlem av klassen av kontinuerlig skalerte, gradvis buede, sakte, lekkede endebrannreiser-bolge-type antenner. 6 Ved forskjellige frekvenser utstraler forskjellige deler av en Vivaldi-antenne, mens storrelsen pa stralingsdelen er konstant i bolgelengden. Som sadan har Vivaldi-antennen teoretisk ubegrenset driftsfrekvensomrade, med konstant stralebredde over dette omradet. Vilkar som «tapered-notch», «flared-slot» og «tapered-slot» -antenner har blitt brukt utveksling med Vivaldi-antenner i litteraturen. Disse antennene bestar av en konisk spalte som er etset pa en tynn metallfilm, enten med eller uten et dielektrisk substrat pa den ene siden av filmen.

Sammen med deres effektivitet og lette egenskaper er TSAs som Vivaldi-antennen attraktive fordi de kan fungere over store bandbredder og produsere en symmetrisk endebrann med betydelig gevinst og lave sidelober. 7 Figur 1 viser grunnkonstruksjonen av en Vivaldi-antenne, med W E inngangsspaltbredden, W A spaltbredden pa stralingsomradet og W o utgangssporet bredden.

En Vivaldi-antenne har to omrader for forplantning og utstraling:

1. et forplantningsomrade definert av W E A og 2. et stralingsomrade definert av W A o.

En Vivaldi-antenne er en «surfacetype» travel-wave antenne. EM-bolgene beveger seg nedover den buede bane av blussen langs antennen. I regionen der separasjonen mellom lederne er liten i forhold til fri-bolgelengden, er bolgene tett bundet. Etter hvert som separasjonen oker, blir bandet gradvis svakere og bolgene utstrales bort fra antennen. Dette skjer nar kantseparasjonen er storre enn en halv bolgelengde.

Reiserbolgeutbredelse skjer langs en Vivaldi-antennens struktur pa grunn av fasehastigheten av EM-bolgene, er mindre enn lysets hastighet i ledig plass. Som et resultat kjennetegnes en Vivaldi-antenne av straling i slutten av brannretningen som vist i figur 2.

Det begrensende tilfellet av fasehastighet angar tilfellet av en antenne med luftdielektrisk og folgelig er stralebredden og sidelengdenivaet betydelig storre enn for tilfellet med det dielektriske substrat tilstede. Fasehastigheten og styringsbolgelengden varierer ogsa med endringen i tykkelsen, dielektriske konstant og konisk design. 8.

En TSA kan utformes med en rekke koniske profiler. Planare TSAs har to fellesfunksjoner: Den utstralende sporet fungerer som grunnplanet for antennen, og antennen er matet med en balansert spaltlinje. Utfordringer i a designe en plan TSA inkluderer a bruke et lav-dielektrisk-konstant substratmateriale for antennen og oppna riktig impedansmatch for spaltlinjen. Ved a bruke et substrat med lav dielektrisk konstant, resulterer en relativ hoy impedans for spaltlinjen. Dette gjor det vanskelig a oppna en impedans kamp hvis en microstrip feed er brukt. Som et resultat vil microstrip-toslot-overgangen begrense operasjonsbandbredden til en TSA.

Studier har blitt utfort for a undersoke effekten av krumningen av monteringsstrukturen pa forskjellige typer TSAs. Forsoket viste at krumningen av konisk profil har en signifikant innvirkning pa TSAs forsterkning, stralebredde og bandbredde. 9 Faktisk bestemmer foret generelt hoyfrekvensgrensen mens blenderstorrelsen bestemmer lavfrekvensgrensen. 10 En riktig utformet matestruktur er derfor viktig for a maksimere bandbredden til en TSA. Selv om mikrobolgeintegrerte kretser (MICs) vanligvis er realisert med microstrip, er en slitslinje det optimale overforingsmediet for en TSA-mat. Overgangen fra microstrip til slotline burde v re kompakt og med tap for a koble mikrobolgesignaler fra antennen til en plan mikrostripkrets. Mange mateteknikker er tilgjengelige, med de vanligste tiln rmingene som koaksiale matelinjer og microstrip matelinjer.

En microstrip-to-slotline-overgang gir mange fordeler i forhold til andre matemekanismer. Denne overgangen kan enkelt fremstilles ved en konvensjonell foto-etseprosess. I tillegg kan tosidige kretskort (PCB) produseres med microstrip pa den ene siden og sporlinjen pa den andre for a oppna en kompakt overgang. Denne typen overgang ble brukt med Vivaldi-antennen i denne rapporten (figur 3).

Ubalansert-til-balansert transformasjon.

Microstrip linjene mye brukt i mikrobolge PCB er ubalanserte linjer, selv om en Vivaldi antenne krever en feed med en sperre overforing linje, som er balansert. Balunen som kreves for den ubalanserte til balansert transformasjonen, ma operere over et frekvensomrade pa minst to oktaver og opptil flere oktaver. Fortrinnsvis vil balunen v re frekvens uavhengig. 6 For a demonstrere effektiviteten av TSA-designene ble en Vivaldi-antenne valgt fra andre mulige motiver, pa grunn av den enorme mengden eksisterende forskning pa denne konfigurasjonen. Ved utforming av hvilken som helst antenne er valget av dielektrisk substrat kritisk. Valget av underlag er stort, med et bredt spekter av egenskaper og dielektriske konstanter blant disse valgene. For denne eksperimentelle Vivaldi-antennen var det a foretrekke a fremstille overgangen og Vivaldi-antennen pa et lavt dielektrisk konstant substrat, og for a unnga bruk av et boret kort hull. Den eksperimentelle antennen ble produsert pa RO4003C substratmateriale fra Rogers Corp. (www.rogerscorporation.com), som har en dielektrisk konstant pa 3,38. Agilents ADS-programvare ble brukt til a optimalisere utformingen for bruk fra 8 til 12 GHz.

En microstrip-to-slotline-overgang ble valgt for Vivaldi-antennen pa grunn av dens mange fordeler i forhold til andre tiln rminger. En av hovedfordelene er at denne typen overgang enkelt kan fremstilles ved normale bilde-etseprosesser, noe som gjor det mulig a realisere tosidige PCB med mikrostrip pa den ene siden og sporlinjen pa den andre siden.

Kayani et al. foreslo en enkel, kompakt Vivaldi-antenne i 2005. 11 Deres ensidige design benyttet stripline-to-slot-kobling som vist pa figur 4. Den storste fordelen med dette designet er at antennen kan gjores mindre sammenlignet med en antipodal Vivaldi-antenne. I tillegg, pa grunn av den lille storrelsen pa antennen, har den en relativt kort simuleringstid ved bruk av programvareverktoy (CAE) -verktoy. Figur 4 viser dobbeltsidig Vivaldi-antennen for drift fra 8 til 12 GHz.

Lengden er 7,48 cm og bredden er 2,08 cm. Bredden pa microstrip-linjen er 0,29 cm. Diameteren til den sirkul re spaltstubben er 1 cm og spaltlinjespalten er 0,08 cm.

Design og simuleringsprosessen ved hjelp av Momentum EM analyseverktoyet fra Agilents ADS-programvarepakke bestar av mange trinn:

1. Lag den fysiske utformingen for en hoyfrekvent Vivaldi-antenne.

2. Velg onsket Momentum-modus for simulering av Vivaldi-antennen.

3. Definer det nodvendige substratmaterialet og dets egenskaper.

4. Los for substratparametrene ved a forutfore det anvendte substratet.

5. Tilordne antenneportene og definere egenskapene sine.

6. Sett opp og generer et kretsnett.

7. Sett opp og simuler ytelsen til Vivaldi-antennen.

8. Se resultatene for S-parametere og stralingsmonster.

De faktiske trinnene som ble brukt for a opprette og simulere Vivaldi-antennen med Momentum 13-programvaren, vil bli beskrevet i del 2 i denne artikkelserien, i neste maneds (august 2008) utgave av mikrobolger og RF. Del 2 vil gi en sammenligning av malinger utfort med kommersielt testutstyr i 9 GHz-bandet og simuleringer pa Vivaldi-antennen utfort med Agilent Momentum plan EM-simuleringsprogramvare fra Agilent Technologies.

Dette avsluttes del 1 av denne artikkelen om Vivaldi-antennedesign, som skal inngas i august 2008-utgaven.

1. N. Blaunstein N. og C. Christodoulou, Radioforplantning og Adaptive Antenner for Wireless Communication Links, Wiley, Hoboken, NJ, 2007.

2. H. Oraizi og S. Jam, «Optimal utforming av avsmalnet sporantenneprofil,» IEEE-transaksjoner pa antenner og forplantning, vol. 51, nr. 8, 2003, s. 1987-1995.

3. P. J. Gibson, «The Vivaldi Aerial,» Proceedings of the 9th European Microwave Conference, 1979, s. 103-105.

4. R. Janaswamy, D. H. Schaubert og D. M. Pozar, «Analyse TEM-modus line rt konisk spalt antenne,» Radio Science, Vol. 21, 1986, s. 797804.

5. J. Wales og L. Sanger, med henvisning til Internett-kilder, 2001: http://en.wikipedia.org/wiki/X_band.

6. E. Gazit, «Forbedret utforming av Vivaldi-antennen,» IEE Proceedings, Vol. 135, del H, nr. 2, 1988, s. 89-92.

7. H. Y. Wang, D. Mirshekar-Syahkal og I. L. Dilworth, «En Rigoros Analyse av Tapered Slot Antenner pa Dielektriske Substrates», 10. internasjonale konferanse om antenner og fortplantning, konferansepublikasjon nr. 436, University of Essex, UK, 1997.

8. R. Rajaraman, «Design of a Wideband Vivaldi Antenna Array for Snow Radar,» Masteroppgave, University of Kansas, India, 2004.

9. R. Q. Lee og R. N. Simons, «Effekt av krolling pa avsmalne sporantenner,» Antenner og formeringssamfunnets internasjonale symposium, AP-S. Digest, Vol. 1, 1996, s. 188-191.

10. J. P. Weem, Z. Popovic, og B. M. Notaros, «Vivaldi-antennearrayer for SKA,» Antennas og Propagation Society International Symposium, Vol. 1, 2000, s. 174-177.

11. J. K. Kayani, A. B. Rashid og A. Naveed, «Design og testing av Vivaldi-antenne for UWB-soknad», fjerde internasjonale Bhurban-konferanse for anvendt vitenskap og teknologi, Bhurban, Pakistan, 2005.

12. J. D. S. Langley, P. S. Hall og P. Newham, «Balansert antipodal Vivaldi-antenne for brede bandbreddefasede arrays,» IEE Proceedings – Mikrobolgeovner, antenner og forplantning, 1996, vol. 143.

13. Agilent Technology (www.agilent.com), Momentum planar elektromagnetisk simulator, Advanced Design System, 2005.

Denne filtypen inneholder grafikk og skjema med hoy opplosning nar det er aktuelt.