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Vivaldi天線 簡介

文章來源: 互聯(lián)網(wǎng)    錄入: mweda.com   

Vivaldi天線
　
CAD考題 2000 – 《歐洲微波工程雜志》
《歐洲微波工程雜志》(Microwave Engineering Europe - MWEE) 的電磁仿真考題欄目在過去的幾年里吸引了多家世界最知名的軟件公司將它們的產(chǎn)品來比較測試。讀者對(duì)它們的仿真結(jié)果也很感興趣，因?yàn)檫@些結(jié)果一方面引入了當(dāng)今仿真技術(shù)最前言的應(yīng)用成果，另一方面也為用戶在選擇適用于他們具體應(yīng)用的軟件時(shí)提供了良好的參考。

在《歐洲微波工程雜志》的歷史上這是第一次引入天線的例子。由于其復(fù)雜的形狀和尺寸，使得這一平衡式Vivaldi 天線對(duì)每個(gè)軟件公司來說都無疑是一個(gè)很好的挑戰(zhàn)。此考題刊登在2000年10月份的《歐洲微波工程雜志》上。六家軟件公司的仿真結(jié)果和測量結(jié)果則分別刊登在直至2001年2月刊的各期上。
發(fā)表的測量結(jié)果與各家軟件商的仿真結(jié)果間有著很大的差異�！稓W洲微波工程雜志》并為對(duì)這一差異給出任何的解釋。CST在Vivaldi天線上做了精細(xì)的計(jì)算并進(jìn)行了收斂分析。認(rèn)為自己的結(jié)果是準(zhǔn)確的。
為此，我們也很愿意與您分享我們的思路與結(jié)果，敬請(qǐng)?zhí)岢瞿膶氋F意見。
現(xiàn)將看到微波工作室在解決Vivaldi天線中的各個(gè)方面的小結(jié)：

1. 性能與精度

上圖給出了發(fā)表在《歐洲微波工程雜志》2001年2月刊上的六家參加此考題競賽的軟件商的仿真結(jié)果。粗略一看，似乎所有曲線在0-5 GHz 間均很相近。仔細(xì)來看它們有著明顯的差異。這些差異的重要性通過CST微波工作室的自動(dòng)網(wǎng)格適配器所做的收斂分析被顯現(xiàn)出來。

上圖示出在初始10000個(gè)網(wǎng)點(diǎn)時(shí)（Pass 1）結(jié)果明顯遠(yuǎn)離收斂后的結(jié)果。在第5進(jìn)程后（53000個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，12分鐘計(jì)算時(shí)間）我們可以看到，結(jié)果開始收斂，相互的差異越來越小。 從數(shù)學(xué)上保證，我們的算法總是可以收斂的。所以此結(jié)果是非�？尚诺摹�

下面讓我們來仔細(xì)考察一下3GHz附近的那個(gè)“諧振”（參見上圖）。該諧振的強(qiáng)度及諧振頻率隨著網(wǎng)點(diǎn)的增加逐漸減弱且移動(dòng)。在Pass9進(jìn)程時(shí)，網(wǎng)點(diǎn)為330000，這是個(gè)相當(dāng)高精度的結(jié)果。在所有這些計(jì)算中，我們看到了諧振點(diǎn)的值相差25dB，頻率移動(dòng)了330MHz。
我們?cè)俜催^來分析一下其他軟件的結(jié)果�？梢钥吹剿麄兯械挠�(jì)算時(shí)間及結(jié)果的可信度是有問題的。它們的諧振峰值相差12dB和250MHz。這充分地表明收斂分析的重要性。
最后，我們以上所做的9次計(jì)算是為了表明收斂分析的重要性。在實(shí)際中，只需幾次計(jì)算便可以獲得可信的結(jié)果了。
實(shí)際上，MWEE還要求考題競賽者提供10 – 20 GHz頻段內(nèi)的結(jié)果�？蛇z憾的是，MWEE之后即未發(fā)表其測量結(jié)果也未刊登各軟件的仿真結(jié)果。很明顯，此頻段下由于結(jié)構(gòu)的電長度的增加從而導(dǎo)致網(wǎng)點(diǎn)的急劇增大，使得各家的仿真結(jié)果的差異更大。
通過對(duì)各家所提供的數(shù)據(jù)分析表明，CST微波工作室所采用的時(shí)域算法有著明顯的優(yōu)勢。它表現(xiàn)在計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存的需求上。Ansoft的HFSS用了143分鐘計(jì)算0到10GHz的范圍，而CST微波工作室僅用了15分鐘且所用的內(nèi)存是HFSS的1/8。HFSS未發(fā)表10 – 20GHz段的結(jié)果。CST微波工作室則用了15分鐘便得出此頻段下的結(jié)果。當(dāng)然，要想得到在20GHz處的高精度的結(jié)果，需要更精細(xì)的網(wǎng)格。之后，我們用了64分鐘完成了這一高精度的仿真。


2. 仿真與測量間的比較

上圖是BAE Systems 公司（Great Baddow）在0.5 -10 GHz 反射的測量值。各個(gè)軟件商的結(jié)果相差得太大，以致人們不妨要問該測量的結(jié)果是否與提供給大家來仿真的結(jié)果相同？不可能所有的仿真結(jié)果均有這么大的誤差。大家知道，所有提供的結(jié)果均出自于當(dāng)今最先進(jìn)三維電磁算法，且它們均是歷年來由眾多的用戶使用證明是相當(dāng)準(zhǔn)確的�？赡艿慕忉屖牵涸趯�(shí)際的天線中還有一個(gè)SMA支架存在（見《歐洲微波工程雜志》2001年2月刊）。

3. 結(jié)構(gòu)輸入時(shí)間

與計(jì)算精度和速度一樣，用戶友好性同樣也是衡量當(dāng)今CAE軟件優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。在許多情況下，用戶輸入結(jié)構(gòu)所用的時(shí)間可能占整個(gè)仿真設(shè)計(jì)時(shí)間的相當(dāng)大的部分。各家軟件商在結(jié)構(gòu)輸入時(shí)間上的差異甚大�？蓮�10分鐘到120分鐘。CST微波工作室已被許多用戶認(rèn)為是當(dāng)今所有電磁仿真軟件中最容易使用的�？善婀值氖�，我們竟然是時(shí)間最長者！
我們想讓用戶自己根據(jù)您從理解結(jié)構(gòu)圖到輸入結(jié)構(gòu)，設(shè)定邊界條件，直至結(jié)構(gòu)參量化所需要的時(shí)間來判斷輸入這樣的結(jié)構(gòu)僅需15分鐘究竟是否現(xiàn)實(shí)。CST認(rèn)為只有事實(shí)對(duì)用戶最有說服力。因此我們?nèi)詧?jiān)持事實(shí)，即約120分鐘的結(jié)構(gòu)輸入時(shí)間，當(dāng)然一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的用戶通過象微波工作室這樣友好的界面還是有可能進(jìn)一步縮短輸入時(shí)間的。
您不妨試一試？
4. 微波工作室的結(jié)果
《歐洲微波工程雜志》在其CAD Benchmark 2000欄目里發(fā)表了一個(gè)平衡式Vivaldi天線的考題。CST微波工作室的仿真結(jié)果見下或參見MWEE網(wǎng)站。

建模
此Vivaldi天線是用CST微波工作室來建模分析的。
此結(jié)構(gòu)全部用變量參量化了。金屬層的厚度（17mil）也考慮進(jìn)去了。
geometry.gif (147 KB)
construction.gif (7 KB)

以下為10GHz處各種場圖和方向圖
0 – 20GHz頻段內(nèi)S參量幅頻特性。參考阻抗為41.88 Ohm（未歸一化）

E面同極和H面交叉極化方向圖

E面交叉極化和H面同極方向圖



電流分布矢量圖

遠(yuǎn)場增益圖。增益：3.24(5.11dBi)。束寬：E面69.7度、H面128.1度。
gainabs10_z_05deg.mpg (637 KB)
gainabs10_z_05deg_small.mpg (227 KB)

遠(yuǎn)場增益圖（theta分量）(主瓣電場沿phi、磁場沿theta方向)
gaintheta10_z_05deg.mpg (635 KB)
gaintheta10_z_05deg_small.mpg (227 KB)


磁場分布（位于中心饋口0.4mm切平面處）
habs10_y04_10deg.mpg (165 KB)
habs10_y04_10deg_small.mpg (61 KB)

磁場y分量
hy10_y0_10deg.mpg (319 KB)
hy10_y0_10deg_small.mpg (115 KB)

電流密度分布（位于中心饋口及下導(dǎo)帶處）
jabs10_y0_10deg.mpg (167 KB)
jabs10_y0_10deg_small.mpg (61 KB)
電流密度分布矢量圖（位于中心饋口及下導(dǎo)帶處）
j10_y0_10deg.mpg (319 KB)
j10_y0_10deg_small.mpg (115 KB)
放大了的電流密度分布矢量圖（位于中心饋口及下導(dǎo)帶處）
j10_y0_zoom_10deg.mpg (319 KB)
j10_y0_zoom_10deg_small.mpg (115 KB)

硬件信息
0 - 10GHz帶寬內(nèi)S參量的計(jì)算是在800MHz PIII電腦（單CPU）上用了15分鐘完成的。其結(jié)果與后續(xù)的0 - 20GHz帶寬且加密網(wǎng)格下的結(jié)果十分相近。后者用了64分鐘和100兆內(nèi)存。
軟件信息
本考題采用微波工作室2.1版本。

5. 計(jì)算時(shí)間
實(shí)際上，MWEE還要求考題競賽者提供10 – 20 GHz頻段內(nèi)的結(jié)果�？蛇z憾的是，MWEE之后即未發(fā)表其測量結(jié)果也未刊登各軟件的仿真結(jié)果。很明顯，此頻段下由于結(jié)構(gòu)的電長度的增加從而導(dǎo)致網(wǎng)點(diǎn)的急劇增大，使得各家的仿真結(jié)果的差異更大。
通過對(duì)各家所提供的數(shù)據(jù)分析表明，CST微波工作室所采用的時(shí)域算法有著明顯的優(yōu)勢。它表現(xiàn)在計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存的需求上。
Ansoft的HFSS用了143分鐘計(jì)算0到10GHz的范圍，而CST微波工作室僅用了15分鐘且所用的內(nèi)存是HFSS的1/8。HFSS未發(fā)表10 – 20GHz段的結(jié)果。
CST微波工作室則用了15分鐘便得出此頻段下的結(jié)果。當(dāng)然，要想得到在20GHz處的高精度的結(jié)果，需要更精細(xì)的網(wǎng)格。之后，我們用了64分鐘完成了這一高精度的仿真。

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