使用COMSOL进行Vivaldi天线设计分析

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使用COMSOL进行Vivaldi天线设计分析

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。

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。

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。

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。

5.5 GHz 下的三维远场模式

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