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Vivaldi天線(xiàn) 簡(jiǎn)介

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Vivaldi天線(xiàn)
　
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(guò)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(lái)比較測(cè)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(hù)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)每個(gè)軟件公司來(lái)說(shuō)都無(wú)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(cè)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(cè)量結(jié)果與各家軟件商的仿真結(jié)果間有著很大的差異。《歐洲微波工程雜志》并為對(duì)這一差異給出任何的解釋。CST在Vivaldi天線(xiàn)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(jiàn)。
現(xiàn)將看到微波工作室在解決Vivaldi天線(xiàn)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(jìng)賽的軟件商的仿真結(jié)果。粗略一看，似乎所有曲線(xiàn)在0-5 GHz 間均很相近。仔細(xì)來(lái)看它們有著明顯的差異。這些差異的重要性通過(guò)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(lái)。

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(kāi)始收斂，相互的差異越來(lái)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�。

下面讓我們來(lái)仔細(xì)考察一下3GHz附近的那個(gè)“諧振”（參見(jiàn)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^(guò)來(lái)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(wèn)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(jìng)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(cè)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(zhǎng)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(guò)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(shì)。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(cè)量間的比較

上圖是BAE Systems 公司（Great Baddow）在0.5 -10 GHz 反射的測(cè)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(wèn)該測(cè)量的結(jié)果是否與提供給大家來(lái)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(lái)由眾多的用戶(hù)使用證明是相當(dāng)準(zhǔn)確的。可能的解釋是：在實(shí)際的天線(xiàn)中還有一個(gè)SMA支架存在（見(jiàn)《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(hù)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(hù)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。可從10分鐘到120分鐘。CST微波工作室已被許多用戶(hù)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(zhǎng)者！
我們想讓用戶(hù)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(lái)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(hù)最有說(shuō)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(hù)通過(guò)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(xiàn)的考題。CST微波工作室的仿真結(jié)果見(jiàn)下或參見(jiàn)MWEE網(wǎng)站。

建模
此Vivaldi天線(xiàn)是用CST微波工作室來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)增益圖（theta分量）(主瓣電場(chǎng)沿phi、磁場(chǎng)沿theta方向)
gaintheta10_z_05deg.mpg (635 KB)
gaintheta10_z_05deg_small.mpg (227 KB)


磁場(chǎng)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(chǎng)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(jìng)賽者提供10 – 20 GHz頻段內(nèi)的結(jié)果。可遺憾的是，MWEE之后即未發(fā)表其測(cè)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(zhǎng)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(guò)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(shì)。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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