教你利用COMSOL進(jìn)行Vivaldi天線設(shè)計(jì)分析

　　Vivaldi 天線，也稱錐形槽天線（TSA），是一種針對(duì)寬帶應(yīng)用的理想天線。它結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，同時(shí)還有很高的增益，因此非常受歡迎。設(shè)計(jì)Vivaldi 天線時(shí)，我們可以使用仿真軟件來計(jì)算它的遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)故事版本，但Gibson 極可能是因?yàn)樘炀€形狀類似于Vivaldi 時(shí)代的一種樂器而選了這個(gè)名字，類似小提琴、大提琴或小號(hào)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(gè)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。現(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(cè)。

　　當(dāng)使用Vivaldi 天線進(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 所譜寫的音樂，I-MUSIC 是干涉多信號(hào)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(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)許多功能，但首先我們希望分析一下天線的設(shè)計(jì)來了解它的工作原理。

　　借助仿真分析Vivaldi 天線的設(shè)計(jì)

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

　　我們的模型模擬了一個(gè)真實(shí)的Vivaldi 天線設(shè)計(jì)，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(huì)連接至一個(gè)圓槽，寬端則會(huì)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(gè)50 Ω 的短路微帶饋線，作為PEC 表面模擬。這是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)單元，因?yàn)榫€上的集總端口會(huì)用于激勵(lì)天線。

　　完美匹配層（PML） 環(huán)繞著整個(gè)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(gè)模型來展示遠(yuǎn)場(chǎng)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(chǎng)模式確實(shí)表現(xiàn)出了定向輻射模式。

　　5.5 GHz 下的三維遠(yuǎn)場(chǎng)模式