Vivaldi天线CST设计与实现

注：具体仿真过程参考B站

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1.Vivaldi天线简介

Vivaldi天线，也称锥形槽天线(TSA)，是一种针对宽带应用的理想天线。它结构简单、易于制造，同时还有很高的增益，因此非常受欢迎。Vivaldi天线具有很强的可塑性。天线在一层柔韧的薄基底上构建，因此能够适应各种表面；这也意味着它可以用于不同环境下的各种应用。有一份专利就涉及在飞机中使用双Vivaldi单元馈电部分，这正是由于天线能够做成流线型的缘故。另一个Vivadi天线可以用于飞机中的原因是，它最高能够处理2 马赫的速度。现在这类天线正日趋成熟。您还可以在医院里看到Vivaldi 天线。结合天线与微波成像技术，医生能够更好地进行乳腺癌和脑癌检测。当使用Vivaldi 天线进行乳腺癌检查时，会用到一种名为I-MUSIC 的干涉仪现在已经发展成为一种强大的肿瘤检测方法。Vivaldi天线（本身及修改版）的应用范围非常广。安保人员可以用它来探测隐藏的武器，军事人员可以将它按阵列结构安置作为高量程雷达。

图1 Vivaldi天线示意图

Vivaldi天线的基本结构由几个关键元素组成：

1.金属底座板：Vivaldi天线通常采用金属底座板作为支撑基板。这个底座板可以是金属片、金属化基板或金属化介质，如铜、铝等。底座板是整个天线的基础，并提供机械强度和稳定性。

2.弧形缝隙：Vivaldi天线的主要辐射元件是弧形缝隙。这个缝隙是在金属底座板上切割出来的，通常采用金属薄片或微带线来实现。弧形缝隙的形状决定了天线的辐射特性，使其能够实现宽带和宽角度的辐射。

3.反射器：Vivaldi天线通常配备一个反射器，位于弧形缝隙的背后。反射器可以是金属板或金属化介质，用于提高天线的增益和方向性。它通过将辐射能量向前方集中来增强辐射效果。

4.匹配网络：为了确保Vivaldi天线在整个工作频率范围内都能有较好的阻抗匹配，通常需要添加匹配网络。匹配网络通常由微带线、变压器或其他类型的阻抗匹配器组成，用于调整天线的输入阻抗，以便与传输线或其他系统元件匹配。

总体而言，Vivaldi天线的基本结构是由金属底座板、弧形缝隙、反射器和匹配网络组成。这种结构使得Vivaldi天线具有宽带宽、高增益和宽角度扫描等优点，在雷达、通信系统、无线电测向和无线传感器网络等应用中得到广泛应用。

2.Vivaldi天线建模

利用CST软件建模，给出天线模型图，给出主要天线尺寸（包括尺寸选择时所参考的依据）、给出馈电设置。

图2 vivaldi天线基本结构

 图3 天线仿真模型图（正）

图4 天线仿真模型图（反）

图5 天线部分尺寸示意图

参量	数值
x	1
y	105
z	183
t	159

以下是vivaldi天线的各部分尺寸参数设置情况，涉及的尺寸参考图2 vivaldi天线基本结构。

图6.1 天线相关尺寸设置

图6.2 天线相关尺寸选择

图6.3 天线相关尺寸选择

图6.4 天线相关尺寸选择

图6.5 天线相关尺寸选择

图6.6 天线相关尺寸选择

图6.7 天线相关尺寸选择

图6.8 天线相关尺寸选择

3.Vivaldi天线仿真和改进

给出仿真的频率范围、主要频点等仿真信息。给出方向图、S11图等仿真结果图（参考做实验时的要求，图形越多越好）。

本次仿真的频率范围为1-8 GHz,主要频点选取1GHz、2.4GHz、4.2GHz、5.6GHz

、8GHz如下：

图7  S11图

图8.1 远区场3D图（f=1GHz）

图8.2 远区场3D图（f=2.4GHz）

图8.3 远区场3D图（f=4.2GHz）

图8.4 远区场3D图（f=5.6GHz）

图8.5 远区场3D图（f=8GHz）

图9.1 方向图（f=1GHz）

图9.2 方向图（f=2.4GHz）

图9.3 方向图（f=4.2GHz）

图9.4 方向图（f=5.6GHz）

图9.5 方向图（f=8GHz）

图10 天线增益图

从图7 S11图可以看出在1-8GHz频段中的大部分频率的S参数都低于-10dB,传输效果良好，可见Vivaldi天线能够在较宽的频率范围内保持较好的阻抗匹配。这意味着它可以在多个频段上有效工作，而无需频率调谐。

根据图8.1-8.5的远区场3D图以及图9.1-9.5方向图可以看出在1-8GHz频段内，当频率为1GHz时，方向性最差，方向性系数为2.874dBi；而频率为2.4GHz时，方向性系数为10.82dBi；频率为5.6GHz时，方向性系数为11.57dBi，此时方向性最佳；频率为8GHz时，方向性系数为9.939dBi。

由图10 天线增益图可知，当频率在3.5-8GHz的频段内天线增益均大于10dB,

可以在较宽的频率范围内工作。

得出结论：

Vivaldi天线具有以下特点：

1. 阻抗特性：Vivaldi天线通常具有宽带阻抗特性，能够在较宽的频率范围内保持较好的阻抗匹配。这意味着它可以在多个频段上有效工作，而无需频率调谐。

2. 增益：Vivaldi天线在设计上具有高增益特性。通过合理的几何结构和反射器的设计，它能够集中辐射能量并增强辐射效果。因此，相对于一些传统的微带天线，Vivaldi天线可以实现较高的增益。

3. 方向性：Vivaldi天线通常具有定向或波束形成的方向性辐射特性。这是由于其特殊的几何结构和反射器的作用，使得辐射能量更多地集中在特定方向上。因此，Vivaldi天线在特定角度上可以实现更强的辐射信号。

4. 宽带特性：Vivaldi天线的设计使其具有宽带宽特性，可以在较宽的频率范围内工作。这使得它适用于需要传输或接收宽带信号的应用，如通信系统和雷达系统。

需要注意的是，Vivaldi天线的具体特性会受到其几何结构、材料特性、频率范围等因素的影响。因此，在具体应用中，需要根据实际需求进行设计和调整，以实现最佳的性能。