Vivaldi天線設(shè)計與分析

Vivaldi 天線，也稱錐形槽天線(TSA)，是一種針對寬帶應(yīng)用的理想天線。它結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，同時還有很高的增益，因此非常受歡迎。設(shè)計Vivaldi 天線時，我們可以使用仿真軟件來計算它的遠(yuǎn)場模式和阻抗。

名稱由來

Vivaldi 天線由Peter Gibson 發(fā)明。Gibson 酷愛音樂，這也許就是他選擇以巴洛克作曲家Antonio Vivaldi 的名字來命名這款天線的原因。雖然有多個故事版本，但Gibson 極可能是因為天線形狀類似于Vivaldi 時代的一種樂器而選了這個名字，類似小提琴、大提琴或小號的截面。

一款通用型天線

Vivaldi 天線具有很強(qiáng)的可塑性。天線在一層柔韌的薄基底上構(gòu)建，因此能夠適應(yīng)各種表面；這也意味著它可以用于不同環(huán)境下的各種應(yīng)用。

有一份專利就涉及在飛機(jī)中使用雙Vivaldi 單元饋電部分，這正是由于天線能夠做成流線型的緣故。另一個Vivadi 天線可以用于飛機(jī)中的原因是，它最高能夠處理2 馬赫的速度?，F(xiàn)在這類天線正日趨成熟。

您還可以在醫(yī)院里看到Vivaldi 天線。結(jié)合天線與微波成像技術(shù)，醫(yī)生能夠更好地進(jìn)行乳腺癌和腦癌檢測。

當(dāng)使用Vivaldi 天線進(jìn)行乳腺癌檢查時，會用到一種名為I-MUSIC 的干涉儀。這里的MUSIC 并非作曲家Vivaldi 所譜寫的音樂，I-MUSIC 是干涉多信號分類(interferometric Multiple Signal Classification) 的首字母縮寫，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種強(qiáng)大的腫瘤檢測方法。

Vivaldi 天線（本身及修改版）的應(yīng)用范圍非常廣。安保人員可以用它來探測隱藏的武器，軍事人員可以將它按陣列結(jié)構(gòu)安置作為高量程雷達(dá)。

本款通用型天線可以實現(xiàn)許多功能，但首先我們希望分析一下天線的設(shè)計來了解它的工作原理。

借助仿真分析Vivaldi 天線的設(shè)計

我們使用Vivaldi 錐形槽天線(TSA) 模型分析了天線的遠(yuǎn)場模式和阻抗，借此對天線進(jìn)行分析。

我們的模型模擬了一個真實的Vivaldi 天線設(shè)計，使用介電薄層基底來表征天線。在基底之上，錐形槽上附有一層完美電導(dǎo)體(PEC) 接地面圖案。我們通過指數(shù)函數(shù)e0.044x 得到了錐形槽的曲線。錐形槽本身看起來有些像喇叭，寬端逐漸彎成一條較窄的線。但與喇叭不同的是，薄端會連接至一個圓槽，寬端則會向空氣敞開，如下圖所示。

Vivaldi 天線的幾何

反轉(zhuǎn)基底，將看到一個50 Ω 的短路微帶饋線，作為PEC 表面模擬。這是一個關(guān)鍵的設(shè)計單元，因為線上的集總端口會用于激勵天線。

完美匹配層(PML) 環(huán)繞著整個模擬域。它發(fā)揮著電波暗室的功能，將吸收所有的輻射能量。

使用COMSOL Multiphysics 和RF 模塊建立和求解天線模型后，我們得到了多種形式的結(jié)果。SWR 繪圖顯示，我們的模型擁有良好的寬帶阻抗匹配。在大部分的模擬范圍中，該值甚至優(yōu)于2:1。

SWR 繪圖形式的仿真結(jié)果

我們還創(chuàng)建了一個模型來展示遠(yuǎn)場模式。我們知道Vivaldi 天線輻射模式指向錐形槽的寬端。從模型來看，遠(yuǎn)場模式確實表現(xiàn)出了定向輻射模式。

5.5 GHz 下的三維遠(yuǎn)場模式

作者：COMSOL Caty Fairclough

審核編輯：湯梓紅