Vivaldi Antenne

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Dieses Vivaldi-Antennendesign wurde ursprünglich vom Microwave Engineering Europe Magazine in den frühen 2000er Jahren als Benchmark-Simulationsproblem vorgeschlagen. Hier wird das klassische Beispiel mit TEM-Ports und einem erweiterten Frequenzbereich aktualisiert.

Das Antennendesign ist ein symmetrischer Vivaldi, der aus drei Metallschichten besteht, die ein Duroidsubstrat umgeben, und der vollständig in XFdtd mit Hilfe der CAD-Modellgenerierungstools aufgebaut ist. Die obere und untere Schicht sind identisch und der Vorschub wird durch die mittlere Schicht aufgebracht. Die Metallteile der Struktur sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die Geometrie ist so ausgerichtet, dass die Z-Achse entlang der langen Abmessung der Antenne verläuft, während die X-Achse die Breite überspannt. Die Struktur wird mit Hilfe der konformen Vernetzungsfunktion der XACT Accurate Cell Technology vernetzt, um die Krümmung der Antennenkanten genau zu erfassen. Die vermaschten Metallstrukturen bei einer Zellengröße von 0,5 mm sind in Figur 3 dargestellt.

Abbildung 1

CAD-Ansicht des Vivaldi-Außenleiters. Ein identisches Teil befindet sich oben und unten auf dem Substrat.

Abbildung 2

CAD-Ansicht des Vivaldi-Mittelleiters.

 

Abbildung 3

Mesh-Ansicht der Vivaldi-Antenne mit einer Auflösung von 0,5 mm.

 

In früheren Versionen dieses Beispiels wurde eine Komponentenzuführung hinzugefügt, um den SMA-Launcher zu imitieren, der zum Erregen der Antenne verwendet wurde. Hier werden die Hohlleiteranschlüsse des XF verwendet, um eine TEM-Anregung am Eingang der Antenne zu erzeugen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Dieser Zusatz ermöglicht es, dass die Simulation unabhängig von jeglichen Effekten ist, die durch die Vernetzung der Vorschubstruktur entstehen.

Abbildung 4

Detailansicht der TEM-Port-Anregung zur Simulation der Antenne.

 

Um die beste Auflösung für die Simulation zu ermitteln, wird die Maschenweite parametrisiert und mehrere Iterationen des Designs von 0,75 mm bis 0,125 mm berechnet. Der Speicherbedarf für diesen Sweep reicht von 75 MB bis 1,3 GB und die Ausführungszeit bis zu einem Konvergenzpegel von -30 dB auf einer NVIDIA Quadro 3000M Grafikkarte variiert von 28 Sekunden bis etwa 18 Minuten. Die resultierenden Diagramme der Rückflussdämpfung im Bereich von 0,5 bis 20 GHz sind in Abbildung 5 dargestellt, wo zu sehen ist, dass das Ergebnis bei einer Auflösung von 0,75 mm sehr unterschiedlich zu den anderen ist. Während bei den kleineren Zellgrößen noch eine gewisse Konvergenz der Ergebnisse besteht, scheint die 0,5 mm Zellgröße die beste Wahl zu sein, wenn man die für die Simulation notwendigen Speicher- und Ausführungszeitanforderungen berücksichtigt.

Abbildung 5

Ein Vergleich der Rückflussdämpfung für die Antenne bei vier verschiedenen Zellgrößen.

 

Eine Sekundärsimulation wird mit einer Zellgröße von 0,5 mm durchgeführt, die mehr Ausgabedaten speichert, einschließlich Fernfeld-Verstärkungsmustern und Nahfeldverteilungsbildern. Diese Simulation benötigt 125 MB Speicher und läuft in etwa zwei Minuten auf einer NVIDIA Quadro 3000M-Karte.

Zunächst wird die Fernfeld-Gesamtverstärkung bei 10 GHz dreidimensional dargestellt, wie in Abbildung 6 dargestellt, wobei die maximale Verstärkung von etwa 5 dBi durch den weißen Pfeil und die Winkelreferenzen Theta und Phi durch blaue und rote Pfeile dargestellt wird. Die Muster in der Richtung Phi=0 Grad (Ebene der Antenne) sind in den Linienplots von Figur 7 bei 10 GHz dargestellt, während die in Phi=90 Grad (senkrecht zur Ebene der Antenne) in Figur 8 dargestellt sind.

Abbildung 6

Das dreidimensionale Fernfeldgewinn-Muster der Antenne bei 10 GHz mit der maximalen Richtung, die durch den weißen Pfeil und die Winkelreferenzen, die als blaue (Theta) und rote (Phi) Pfeile dargestellt sind.

Abbildung 7

Eine polare Darstellung des Verstärkungsfaktors in der Phi=0-Ebene (E-Ebene/Ebene der Antenne) bei 10 GHz.

 

Abbildung 8

Eine polare Darstellung des Verstärkungsfaktors in der Phi=90-Ebene (H-Ebene/Senkrecht zur Antenne) bei 10 GHz.

 

In den Figuren 9 und 10 ist die stationäre Stromverteilung auf den oberen und mittleren Leitern bei 10 GHz dargestellt. Die Abbildungen 11 bis 15 zeigen die Ausbreitung des transienten elektrischen Feldes über der Mitte der Antenne in fünf Zeitschritten vom ersten Impuls, der in die Einspeisung eintritt, bis zum Feld, das aus dem Ende der Antenne ausstrahlt.

Abbildung 9

Konstante Zustandsleitströme am äußeren Element der Antenne bei 10 GHz.

Abbildung 10

Konstante Zustandsleitströme am äußeren Element der Antenne bei 10 GHz.

 

Abbildung 11

Transiente elektrische Feldverteilung in der Mitte der Antenne bei 0,314 ns.

Abbildung 12

Transiente elektrische Feldverteilung in der Mitte der Antenne bei 0,419 ns.

 

Abbildung 13

Transiente elektrische Feldverteilung in der Mitte der Antenne bei 0,524 ns.

Abbildung 14

Transiente elektrische Feldverteilung in der Mitte der Antenne bei 0,628 ns.

 

Abbildung 15

Transiente elektrische Feldverteilung in der Mitte der Antenne bei 0,733 ns.