vivaldi antenna

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1、使用FEKO软件设计分析VIVALDI天线阵发表时间：2009-7-17 作者:李莹  来源:安世亚太关键字:ansys 平衡Vivaldi天线 天线阵列 抛物面天线 Vivaldi天线是一种槽线超宽带天线，它是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。这种天线是一种高增益、线极化天线。从理论上讲，它有很宽的频带，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线。由于平衡Vivaldi天线为多层介质与金属相间的几何结构，且金属贴片部分为弧线渐变，对仿真软件的计算能力提出了挑战。基于FEKO对

2、这类问题强大的计算能力，本文将采用FEKO为工具，设计并分析平衡Vivaldi天线组成的天线阵列，并将其作为抛物面天线的馈源，以获得35dB以上的高增益，这类反射面天线普遍应用于远距离通信和高分辨率雷达中。1前言   FEKO是针对天线设计、天线布局、电磁兼容性分析等而开发的专业电磁场分析软件。FEKO从严格的积分方程出发，以矩量法（MOM）及多层快速多极子（MLFMM）算法为基础，不需要建立吸收边界条件，没有数值色散误差。它将矩量法与高频分析方法（物理光学PO，一致性绕射理论UTD）完美结合，因此非常适合于分析天线设计中的各类问题。对于电小结构的天线，FEK

3、O中可以采用完全的矩量法进行分析，对于具有电小与电大尺寸混合结构的天线，FEKO中既可以采用多层快速多极子法，又可以采用混合方法：用矩量法分析电小结构部分，而用高频方法分析电大结构部分。   Vivaldi天线是一种槽线超宽带天线，它是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。在不同的频率上，它的不同部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分相对于对应的不同频率信号的波长的电长度是不变的。这种天线是一种高增益、线极化天线，所以理论上讲，它有很宽的频带，可以做成随频率变化具有恒定增益的天

4、线。在设计频段内具有相同的波束宽度。此外，它还具有良好的时域特性，时域接收波形具有非色散特性，因此它是一种非常有潜力的超宽带天线。本文将计算采用平衡Vivaldi天线组成天线阵列，并将其作为抛物面天线的馈源。2天线阵及抛物面天线的设计与仿真   平衡Vivaldi天线的优点：传统的Vivaldi天线受馈电结构限制且交叉极化水平较高。平衡Vivaldi天线在介质基片两侧贴有渐变形状的金属片在介质基片中心加入了一片与两侧金属覆层对踵的薄金属，以此来平衡天线内部的电场方向。由于介质基片两侧的金属覆层接地，电磁波由介质基片中心的薄金属馈入，辐射电磁波的电场由介质基片中

5、心的薄金属分别指向两侧的接地板，因此无论中心的薄金属与两侧金属覆层之间的位置如何改变，辐射电磁波的总电场方向始终平行于天线平面。抛物面天线是使用最广泛的高增益天线，在远距离通讯和高分辨率雷达中都有重要应用。在微波波段，其增益一般远超过30dB，用任何单个天线都很难得到这样高的增益2.1Vivaldi天线阵的仿真   Vivaldi天线的工作原理：对于某个特定的工作频率，整个天线结构中，只有槽线宽度与波长接近的区域才能向空间形成有效的辐射，当工作频率发生变化，则辐射的区域也相应变化，且辐射区域槽线的宽度与辐射的波长成正比。由于不同工作频率下Vivaldi天线的电

6、尺寸始终保持不变，天线的输入阻抗和辐射方向图在整个工作频带内也可以保持近似不变，因此其天线具有宽频带特性。2.1.1Vivaldi天线单元   在FEKO中建模如图1(a)所示，图1(b)是它的剖面图。由于未知量数较少，采用MOM算法，所得结果如图2。 图1(a)Vivaldi天线单元模型       图1(b)剖分后的Vivaldi天线单元模型图2（a）E面和H面方向图           图2（b）三维方向图图2（c）S11曲线   从上面的计算结果可以看出，此Vivaldi天线在很宽的频带内具有良好的驻波，并且方向图保持前向辐射。由于此Vivaldi天线

7、具有很纯净的水平极化分量，下面将采用二维正交形式组阵，以此获得圆极化、前向辐射、宽频带的Vivaldi天线阵，进一步可以作为反射面天线的馈源。2.1.22*2阵列的计算   建立如图3所示的2*2Vivaldi天线阵列，采用FEKO的快速多极子算法（MLFMM），所得方向图计算结果如图4所示。图32*2阵列模型    图4E面和H面方向图   多层快速多极子（MLFMM）方法是在MOM的基础上分组计算单元间的相互作用，这种方法可以高精确地分析电大问题。在对内存需求上，MLFMM正比于NlnN，而MOM正比于N2，所以这个技术对内存的需求随未知量数目的增长比起传

8、统MOM要小。2.1.33*2*2阵列