Vivaldi-Antenne

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

Das Antennendesign ist eine symmetrische Vivaldi, die aus drei Metallschichten besteht, die ein Duroid-Substrat umgeben, und die vollständig in XFdtd mit den Werkzeugen zur Erzeugung von CAD-Modellen aufgebaut ist. Die obere und untere Schicht sind identisch, und die Einspeisung erfolgt durch die mittlere Schicht. Die Metallteile der Struktur sind in den Abbildungen 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 aufspannt. Die Struktur wird mit der XACT Accurate Cell Technology Conformal Meshing-Funktion vernetzt, um die Krümmung der Antennenkanten genau zu erfassen. Die vermaschten Metallstrukturen mit einer Zellengröße von 0,5 mm sind in Abbildung 3 dargestellt.

In früheren Versionen dieses Beispiels wurde eine Komponentenspeisung hinzugefügt, um die SMA-Startvorrichtung zur Anregung der Antenne nachzuahmen. Hier werden die Hohlleiteranschlüsse von XF verwendet, um eine TEM-Anregung am Eingang der Antenne zu erzeugen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Durch diesen Zusatz ist die Simulation unabhängig von den Effekten, die durch die Vermaschung der Speisestruktur entstehen.

Um die beste Auflösung für die Simulation zu ermitteln, wird die Netzgröße parametrisiert und mehrere Iterationen des Designs von 0,75 mm bis hinunter zu 0,125 mm berechnet. Der Speicherbedarf für diesen Sweep liegt zwischen 75 MB und 1,3 GB, und die Ausführungszeit bis zu einem Konvergenzniveau von -30 dB auf einer NVIDIA Quadro 3000M-Grafikkarte schwankt zwischen 28 Sekunden und etwa 18 Minuten. Die sich daraus ergebenden Diagramme der Rückflussdämpfung über den Bereich von 0,5 bis 20 GHz sind in Abbildung 5 dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass sich das Ergebnis bei einer Auflösung von 0,75 mm deutlich von den anderen unterscheidet. Während bei den kleineren Zellgrößen noch eine gewisse Konvergenz der Ergebnisse zu verzeichnen ist, scheint die Zellgröße von 0,5 mm die beste Wahl zu sein, wenn man den für die Simulation erforderlichen Speicher- und Ausführungszeitbedarf berücksichtigt.

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

Zunächst wird der Fernfeld-Gesamtgewinn bei 10 GHz in drei Dimensionen aufgetragen, wie in Abbildung 6 gezeigt, wobei der maximale Gewinn von etwa 5 dBi durch den weißen Pfeil und die Winkelreferenzen Theta und Phi durch blaue und rote Pfeile dargestellt sind. Die Muster in der Richtung Phi=0 Grad (Ebene der Antenne) sind bei 10 GHz in den Liniendiagrammen in Abbildung 7 dargestellt, während die Muster in der Richtung Phi=90 Grad (senkrecht zur Ebene der Antenne) in Abbildung 8 gezeigt werden.

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