Vivaldi 天线设计分析

Caty Fairclough 2015年 3月 25日

Vivaldi 天线,也称锥形槽天线 (TSA),是一种针对宽带应用的理想天线。它结构简单、易于制造,同时还有很高的增益,因此非常受欢迎。设计 Vivaldi 天线时,我们可以使用仿真软件来计算它的远场模式和阻抗。

名称由来

Vivaldi 天线由 Peter Gibson 发明。Gibson 酷爱音乐,这也许就是他选择以巴洛克作曲家 Antonio Vivaldi 的名字来命名这款天线的原因。虽然有多个故事版本,但 Gibson 极可能是因为天线形状类似于 Vivaldi 时代的一种乐器而选了这个名字,类似小提琴、大提琴或小号的截面。

一款通用型天线

Vivaldi 天线具有很强的可塑性。天线在一层柔韧的薄基底上构建,因此能够适应各种表面;这也意味着它可以用于不同环境下的各种应用。

有一份专利就涉及在飞机中使用双 Vivaldi 单元馈电部分,这正是由于天线能够做成流线型的缘故。另一个 Vivadi 天线可以用于飞机中的原因是,它最高能够处理 2 马赫的速度。现在这类天线正日趋成熟。

vivaldi antenna plane Vivaldi 天线设计分析
飞机。(图片为 Björn 自行拍摄。已获得Creative Commons Attribution Share Alike 2.0 授权,并通过 Wikimedia Commons 分享)

您还可以在医院里看到 Vivaldi 天线。结合天线与微波成像技术,医生能够更好地进行乳腺癌和脑癌检测。

当使用 Vivaldi 天线进行乳腺癌检查时,会用到一种名为 I-MUSIC 的干涉仪。这里的 MUSIC 并非作曲家 Vivaldi 所谱写的音乐,I-MUSIC 是干涉多信号分类 (interferometric Multiple Signal Classification) 的首字母缩写,现在已经发展成为一种强大的肿瘤检测方法

Vivaldi 天线(本身及修改版)的应用范围非常广。安保人员可以用它来探测隐藏的武器,军事人员可以将它按阵列结构安置作为高量程雷达。

本款通用型天线可以实现许多功能,但首先我们希望分析一下天线的设计来了解它的工作原理。

借助仿真分析 Vivaldi 天线的设计

我们使用Vivaldi 锥形槽天线 (TSA) 模型分析了天线的远场模式和阻抗,借此对天线进行分析。

我们的模型模拟了一个真实的 Vivaldi 天线设计,使用介电薄层基底来表征天线。在基底之上,锥形槽上附有一层完美电导体 (PEC) 接地面图案。我们通过指数函数 e0.044x 得到了锥形槽的曲线。锥形槽本身看起来有些像喇叭,宽端逐渐弯成一条较窄的线。但与喇叭不同的是,薄端会连接至一个圆槽,宽端则会向空气敞开,如下图所示。

simulating vivaldi antenna Vivaldi 天线设计分析
Vivaldi 天线的几何。

反转基底,将看到一个 50 Ω 的短路微带馈线,作为 PEC 表面模拟。这是一个关键的设计单元,因为线上的集总端口会用于激励天线。

完美匹配层 (PML) 环绕着整个模拟域。它发挥着电波暗室的功能,将吸收所有的辐射能量。

使用 COMSOL Multiphysics 和 RF 模块建立和求解天线模型后,我们得到了多种形式的结果。SWR 绘图显示,我们的模型拥有良好的宽带阻抗匹配。在大部分的模拟范围中,该值甚至优于 2:1。

vivaldi antenna graph Vivaldi 天线设计分析
SWR 绘图形式的仿真结果。

我们还创建了一个模型来展示远场模式。我们知道 Vivaldi 天线辐射模式指向锥形槽的宽端。从模型来看,远场模式确实表现出了定向辐射模式。

3D far field pattern Vivaldi 天线设计分析
5.5 GHz 下的三维远场模式。

模型下载


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评论

  1. LCP LCP October 30, 2016   9:05 am

    怎样求天线的效率呢?

  2. Yuansheng Zheng November 7, 2016   3:41 am

    LCP, 您好!天线效率主要指辐射功率与输入功率之比,一般小于1,我们可以通过COMSOL 后处理工具,计算派生值,求得集总端口功率或S参数,得到相应的天线效率,例如,计算abs(S11)^2获得端口反射率,进而计算得到天线效率。
    如果您还有其他技术问题,请发送至support@comsol.com

  3. Yuansheng Zheng November 7, 2016   3:45 am

    LCP,您好!天线效率主要指辐射功率与输入功率之比,一般小于1,我们可以通过COMSOL 后处理工具,计算派生值,求得集总端口功率或S参数,得到相应的天线效率,例如,计算abs(S11)^2获得端口反射率,进而计算得到天线效率。
    如果您还有其他技术问题,请发送至support@comsol.com

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