教你利用COMSOL進行Vivaldi天線設計分析

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

　　名稱由來

　　Vivaldi 天線由Peter Gibson 發明。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 天線具有很強的可塑性。天線在一層柔韌的薄基底上構建，因此能夠適應各種表面；這也意味著它可以用于不同環境下的各種應用。

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

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

　　當使用Vivaldi 天線進行乳腺癌檢查時，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，現在已經發展成為一種強大的腫瘤檢測方法。

　　Vivaldi 天線（本身及修改版）的應用范圍非常廣。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構安置作為高量程雷達。

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

　　借助仿真分析Vivaldi 天線的設計

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

　　我們的模型模擬了一個真實的Vivaldi 天線設計，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體（PEC） 接地面圖案。我們通過指數函數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。這是一個關鍵的設計單元，因為線上的集總端口會用于激勵天線。

　　完美匹配層（PML） 環繞著整個模擬域。它發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，該值甚至優于2:1。

　　SWR 繪圖形式的仿真結果

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

　　5.5 GHz 下的三維遠場模式