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Vivaldi天线 简介

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Vivaldi天线
　
CAD考题 2000 – 《欧洲微波工程杂志》
《欧洲微波工程杂志》(Microwave Engineering Europe - MWEE) 的电磁仿真考题栏目在过去的几年里吸引了多家世界最知名的软件公司将它们的产品来比较测试。读者对它们的仿真结果也很感兴趣，因为这些结果一方面引入了当今仿真技术最前言的应用成果，另一方面也为用户在选择适用于他们具体应用的软件时提供了良好的参考。

在《欧洲微波工程杂志》的历史上这是第一次引入天线的例子。由于其复杂的形状和尺寸，使得这一平衡式Vivaldi 天线对每个软件公司来说都无疑是一个很好的挑战。此考题刊登在2000年10月份的《欧洲微波工程杂志》上。六家软件公司的仿真结果和测量结果则分别刊登在直至2001年2月刊的各期上。
发表的测量结果与各家软件商的仿真结果间有着很大的差异。《欧洲微波工程杂志》并为对这一差异给出任何的解释。CST在Vivaldi天线上做了精细的计算并进行了收敛分析。认为自己的结果是准确的。
为此，我们也很愿意与您分享我们的思路与结果，敬请提出您的宝贵意见。
现将看到微波工作室在解决Vivaldi天线中的各个方面的小结：

1. 性能与精度

上图给出了发表在《欧洲微波工程杂志》2001年2月刊上的六家参加此考题竞赛的软件商的仿真结果。粗略一看，似乎所有曲线在0-5 GHz 间均很相近。仔细来看它们有着明显的差异。这些差异的重要性通过CST微波工作室的自动网格适配器所做的收敛分析被显现出来。

上图示出在初始10000个网点时（Pass 1）结果明显远离收敛后的结果。在第5进程后（53000个网点，12分钟计算时间）我们可以看到，结果开始收敛，相互的差异越来越小。 从数学上保证，我们的算法总是可以收敛的。所以此结果是非常可信的。

下面让我们来仔细考察一下3GHz附近的那个“谐振”（参见上图）。该谐振的强度及谐振频率随着网点的增加逐渐减弱且移动。在Pass9进程时，网点为330000，这是个相当高精度的结果。在所有这些计算中，我们看到了谐振点的值相差25dB，频率移动了330MHz。
我们再反过来分析一下其他软件的结果。可以看到他们所有的计算时间及结果的可信度是有问题的。它们的谐振峰值相差12dB和250MHz。这充分地表明收敛分析的重要性。
最后，我们以上所做的9次计算是为了表明收敛分析的重要性。在实际中，只需几次计算便可以获得可信的结果了。
实际上，MWEE还要求考题竞赛者提供10 – 20 GHz频段内的结果。可遗憾的是，MWEE之后即未发表其测量结果也未刊登各软件的仿真结果。很明显，此频段下由于结构的电长度的增加从而导致网点的急剧增大，使得各家的仿真结果的差异更大。
通过对各家所提供的数据分析表明，CST微波工作室所采用的时域算法有着明显的优势。它表现在计算时间和内存的需求上。Ansoft的HFSS用了143分钟计算0到10GHz的范围，而CST微波工作室仅用了15分钟且所用的内存是HFSS的1/8。HFSS未发表10 – 20GHz段的结果。CST微波工作室则用了15分钟便得出此频段下的结果。当然，要想得到在20GHz处的高精度的结果，需要更精细的网格。之后，我们用了64分钟完成了这一高精度的仿真。


2. 仿真与测量间的比较

上图是BAE Systems 公司（Great Baddow）在0.5 -10 GHz 反射的测量值。各个软件商的结果相差得太大，以致人们不妨要问该测量的结果是否与提供给大家来仿真的结果相同？不可能所有的仿真结果均有这么大的误差。大家知道，所有提供的结果均出自于当今最先进三维电磁算法，且它们均是历年来由众多的用户使用证明是相当准确的。可能的解释是：在实际的天线中还有一个SMA支架存在（见《欧洲微波工程杂志》2001年2月刊）。

3. 结构输入时间

与计算精度和速度一样，用户友好性同样也是衡量当今CAE软件优劣的重要指标之一。在许多情况下，用户输入结构所用的时间可能占整个仿真设计时间的相当大的部分。各家软件商在结构输入时间上的差异甚大。可从10分钟到120分钟。CST微波工作室已被许多用户认为是当今所有电磁仿真软件中最容易使用的。可奇怪的是，我们竟然是时间最长者！
我们想让用户自己根据您从理解结构图到输入结构，设定边界条件，直至结构参量化所需要的时间来判断输入这样的结构仅需15分钟究竟是否现实。CST认为只有事实对用户最有说服力。因此我们仍坚持事实，即约120分钟的结构输入时间，当然一个有经验的用户通过象微波工作室这样友好的界面还是有可能进一步缩短输入时间的。
您不妨试一试？
4. 微波工作室的结果
《欧洲微波工程杂志》在其CAD Benchmark 2000栏目里发表了一个平衡式Vivaldi天线的考题。CST微波工作室的仿真结果见下或参见MWEE网站。

建模
此Vivaldi天线是用CST微波工作室来建模分析的。
此结构全部用变量参量化了。金属层的厚度（17mil）也考虑进去了。
geometry.gif (147 KB)
construction.gif (7 KB)

以下为10GHz处各种场图和方向图
0 – 20GHz频段内S参量幅频特性。参考阻抗为41.88 Ohm（未归一化）

E面同极和H面交叉极化方向图

E面交叉极化和H面同极方向图



电流分布矢量图

远场增益图。增益：3.24(5.11dBi)。束宽：E面69.7度、H面128.1度。
gainabs10_z_05deg.mpg (637 KB)
gainabs10_z_05deg_small.mpg (227 KB)

远场增益图（theta分量）(主瓣电场沿phi、磁场沿theta方向)
gaintheta10_z_05deg.mpg (635 KB)
gaintheta10_z_05deg_small.mpg (227 KB)


磁场分布（位于中心馈口0.4mm切平面处）
habs10_y04_10deg.mpg (165 KB)
habs10_y04_10deg_small.mpg (61 KB)

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

电流密度分布（位于中心馈口及下导带处）
jabs10_y0_10deg.mpg (167 KB)
jabs10_y0_10deg_small.mpg (61 KB)
电流密度分布矢量图（位于中心馈口及下导带处）
j10_y0_10deg.mpg (319 KB)
j10_y0_10deg_small.mpg (115 KB)
放大了的电流密度分布矢量图（位于中心馈口及下导带处）
j10_y0_zoom_10deg.mpg (319 KB)
j10_y0_zoom_10deg_small.mpg (115 KB)

硬件信息
0 - 10GHz带宽内S参量的计算是在800MHz PIII电脑（单CPU）上用了15分钟完成的。其结果与后续的0 - 20GHz带宽且加密网格下的结果十分相近。后者用了64分钟和100兆内存。
软件信息
本考题采用微波工作室2.1版本。

5. 计算时间
实际上，MWEE还要求考题竞赛者提供10 – 20 GHz频段内的结果。可遗憾的是，MWEE之后即未发表其测量结果也未刊登各软件的仿真结果。很明显，此频段下由于结构的电长度的增加从而导致网点的急剧增大，使得各家的仿真结果的差异更大。
通过对各家所提供的数据分析表明，CST微波工作室所采用的时域算法有着明显的优势。它表现在计算时间和内存的需求上。
Ansoft的HFSS用了143分钟计算0到10GHz的范围，而CST微波工作室仅用了15分钟且所用的内存是HFSS的1/8。HFSS未发表10 – 20GHz段的结果。
CST微波工作室则用了15分钟便得出此频段下的结果。当然，要想得到在20GHz处的高精度的结果，需要更精细的网格。之后，我们用了64分钟完成了这一高精度的仿真。

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