Vivaldi antenna array for a solid state space distributed amplifier

Abstract

This work reports the design of a Vivaldi antenna array for a space distributed solid state amplifier at X-Band and the specifications in the amplifier design. A tray configuration inside an over-moded waveguide is used. The waveguide operates in its TE30 mode, which allows for 3, 6 or 9 trays to be positioned for increasing power generation. Each tray has four class-E amplifiers, and the input and output devices to each of the amplifiers are Vivaldi antennas. This work shows the tapered-slot antennas design for the desired impedance based on their tray position. The two center antennas and the two edge antennas on each tray are kept with same dimensions to simplify the Design of Experiments analysis. It was found that although the center frequency of operation is shifted up 3MHz when comparing 3, 6 and 9 trays configurations, the antenna behavior does not change significantly. Thus, the same antenna design can be used for all trays. The antennas were simulated, built and tested for an input impedance of 65 Ω, and simulated for 24 Ω and 50 Ω. Because of the difficulty to build low impedance antennas, only antennas of 50 Ω were used. This required matching networks to provide the required transistor impedance to act as a class- E module. A stub at the second harmonic is added to the 50 Ω design in order to decrease the power consumption of the transistor. The class-E module design and the setup to test it are reported. Finally, the complete tray to implement the spatially distributed amplifier is shown.

Este trabajo muestra el diseño de un arreglo de antenas tipo Vivaldi para un amplificador banda-X de estado sólido distribuido en espacio. Se utiliza una guía de onda operando en el modo TE30, el cual permite que se coloquen 3, 6 ó 9 tarjetas de manera que se aumente la generación de potencia. Cada tarjeta tiene cuatro amplificadores clase-E, cuyas entradas y salidas son antenas Vivaldi. Se muestra el diseño de las antenas para la impedancia deseada basado en la posición de éstas en la tarjeta. Las antenas del centro y las antenas de las esquinas se mantienen con las mismas dimensiones para simplificar el análisis del diseño de experimento que se usa para caracterizar las antenas. De éste se encuentra, que según se aumenta el número de tarjetas el ancho de banda disminuye sólo 3 MHz y la frecuencia de operación se mueve hacia arriba menos de 3MHz. Las antenas son simuladas, construidas y medidas para 65 Ω, lo que sirve de base para diseñar las de 24 y 50 Ω. Sin embargo, dada la dificultad para construir antenas de baja impedancia, se deciden usar antenas de 50 Ω en la entrada y en la salida. Dado esto se tienen que utilizar redes de pareo para proveer al transistor la impedancia de salida necesaria para actuar como clase-E. A este diseño se le añade una terminación para eliminar la segunda harmónica y de esta manera reducir el consumo de potencia. El diseño del amplificador clase-E y el montaje necesario para hacer sus medidas es mostrado. Finalmente, se muestra el diseño de una tarjeta completa para ser utilizada en el amplificador distribuido en espacio.