教你利用COMSOL進(jìn)行Vivaldi天線(xiàn)設計分析

　　Vivaldi 天線(xiàn)，也稱(chēng)錐形槽天線(xiàn)（TSA），是一種針對寬帶應用的理想天線(xiàn)。它結構簡(jiǎn)單、易于制造，同時(shí)還有很高的增益，因此非常受歡迎。設計Vivaldi 天線(xiàn)時(shí)，我們可以使用仿真軟件來(lái)計算它的遠場(chǎng)模式和阻抗。

　　名稱(chēng)由來(lái)

　　Vivaldi 天線(xiàn)由Peter Gibson 發(fā)明。Gibson 酷愛(ài)音樂(lè )，這也許就是他選擇以巴洛克作曲家Antonio Vivaldi 的名字來(lái)命名這款天線(xiàn)的原因。雖然有多個(gè)故事版本，但Gibson 極可能是因為天線(xiàn)形狀類(lèi)似于Vivaldi 時(shí)代的一種樂(lè )器而選了這個(gè)名字，類(lèi)似小提琴、大提琴或小號的截面。

　　一款通用型天線(xiàn)

　　Vivaldi 天線(xiàn)具有很強的可塑性。天線(xiàn)在一層柔韌的薄基底上構建，因此能夠適應各種表面；這也意味著(zhù)它可以用于不同環(huán)境下的各種應用。

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

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

　　當使用Vivaldi 天線(xiàn)進(jìn)行乳腺癌檢查時(shí)，會(huì )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(xiě)的音樂(lè )，I-MUSIC 是干涉多信號分類(lèi)（interferometric Multiple Signal Classification） 的首字母縮寫(xiě)，現在已經(jīng)發(fā)展成為一種強大的腫瘤檢測方法。

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

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

　　借助仿真分析Vivaldi 天線(xiàn)的設計

　　我們使用Vivaldi 錐形槽天線(xiàn)（TSA） 模型分析了天線(xiàn)的遠場(chǎng)模式和阻抗，借此對天線(xiàn)進(jìn)行分析。

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

　　Vivaldi 天線(xiàn)的幾何

　　反轉基底，將看到一個(gè)50 Ω 的短路微帶饋線(xiàn)，作為PEC 表面模擬。這是一個(gè)關(guān)鍵的設計單元，因為線(xiàn)上的集總端口會(huì )用于激勵天線(xiàn)。

　　完美匹配層（PML） 環(huán)繞著(zhù)整個(gè)模擬域。它發(fā)揮著(zhù)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(xiàn)模型后，我們得到了多種形式的結果。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 繪圖形式的仿真結果

　　我們還創(chuàng )建了一個(gè)模型來(lái)展示遠場(chǎng)模式。我們知道Vivaldi 天線(xiàn)輻射模式指向錐形槽的寬端。從模型來(lái)看，遠場(chǎng)模式確實(shí)表現出了定向輻射模式。

　　5.5 GHz 下的三維遠場(chǎng)模式