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Este diseño de antena Vivaldi fue propuesto originalmente como problema de simulación de referencia por la revista Microwave Engineering Europe a principios de la década de 2000. Aquí se actualiza el ejemplo clásico con puertos TEM y un rango de frecuencias ampliado.
El diseño de la antena es una Vivaldi equilibrada compuesta por tres capas metálicas que rodean un sustrato de Duroid y está construida íntegramente en XFdtd utilizando las herramientas de generación de modelos CAD. Las capas superior e inferior son idénticas y la alimentación se aplica a través de la capa intermedia. En las figuras 1 y 2 se muestran las partes metálicas de la estructura. La geometría está orientada de forma que el eje Z recorre la dimensión larga de la antena mientras que el eje X abarca la anchura. La estructura se malló utilizando la función de mallado conforme de la tecnología XACT Accurate Cell para capturar con precisión la curvatura de los bordes de la antena. En la figura 3 se muestran las estructuras metálicas malladas con un tamaño de celda de 0,5 mm.
Figura 1: Vista CAD del conductor exterior Vivaldi. Una pieza idéntica se encuentra en la parte superior e inferior del sustrato.
Figura 2: Vista CAD del conductor central Vivaldi.
Figura 3: Vista en malla de la antena Vivaldi con una resolución de 0,5 mm.
En versiones anteriores de este ejemplo se añadió un componente de alimentación para imitar el lanzador SMA utilizado para excitar la antena. Aquí se utilizan los puertos de guía de ondas de XF para crear una excitación TEM a la entrada de la antena, como se muestra en la Figura 4. Esta adición permite que la simulación sea independiente de cualquier efecto añadido por el mallado de la estructura de alimentación. Esta adición permite que la simulación sea independiente de cualquier efecto añadido por el mallado de la estructura de alimentación.
Figura 4: Vista detallada del puerto de excitación TEM utilizado para simular la antena.
Para determinar la mejor resolución para la simulación, se parametriza el tamaño de la malla y se calculan varias iteraciones del diseño desde 0,75 mm hasta 0,125 mm. Los requisitos de memoria para este barrido oscilan entre 75 MB y 1,3 GB y el tiempo de ejecución hasta un nivel de convergencia de -30 dB en una tarjeta gráfica NVIDIA Quadro 3000M varía entre 28 segundos y unos 18 minutos. Los gráficos resultantes de la pérdida de retorno en el intervalo de 0,5 a 20 GHz se muestran en la Figura 5, donde puede observarse que con una resolución de 0,75 mm el resultado es bastante diferente de los demás. Aunque sigue habiendo cierta convergencia de los resultados para los tamaños de celda más pequeños, el tamaño de celda de 0,5 mm parece ser la mejor opción si se tienen en cuenta los requisitos de memoria y tiempo de ejecución necesarios para la simulación.
Figura 5: Comparación de la pérdida de retorno de la antena con cuatro tamaños de célula diferentes.
Se ejecuta una simulación secundaria con un tamaño de celda de 0,5 mm que guarda más datos de salida, incluidos patrones de ganancia de campo lejano e imágenes de distribución de campo cercano. Esta simulación utiliza 125 MB de memoria y se ejecuta en unos dos minutos en una tarjeta NVIDIA Quadro 3000M.
En primer lugar, la ganancia total de campo lejano a 10 GHz se representa en tres dimensiones como se muestra en la Figura 6, donde la ganancia máxima de aproximadamente 5 dBi se muestra con la flecha blanca y las referencias angulares Theta y Phi se muestran con flechas azules y rojas. Los diagramas en la dirección Phi=0 grados (plano de la antena) se muestran a 10 GHz en los trazados lineales de la figura 7, mientras que los de la dirección Phi=90 grados (perpendicular al plano de la antena) se muestran en la figura 8.
Figura 6: Diagrama de ganancia de campo lejano tridimensional de la antena a 10 GHz con la dirección máxima indicada por la flecha blanca y las referencias angulares mostradas como flechas azul (theta) y roja (phi).
Figura 7: Diagrama polar de la ganancia en el plano Phi=0 (plano E/plano de la antena) a 10 GHz.
Figura 8: Diagrama polar de la ganancia en el plano Phi=90 (plano H/perpendicular a la antena) a 10 GHz.
En las Figuras 9 y 10 se muestra la distribución de corriente en estado estacionario en los conductores superior y central a 10 GHz. Las figuras 11 a 15 muestran la propagación del campo eléctrico transitorio sobre el centro de la antena en cinco pasos en el tiempo, desde el impulso inicial que entra en el alimentador hasta el campo que irradia fuera del extremo de la antena.
Figura 9: Corrientes de conducción en estado estacionario en el elemento exterior de la antena a 10 GHz.
Figura 10: Corrientes de conducción en estado estacionario en el elemento exterior de la antena a 10 GHz.
Figura 11: Distribución del campo eléctrico transitorio en el centro de la antena a 0,314 ns.
Figura 12: Distribución del campo eléctrico transitorio en el centro de la antena a 0,419 ns.
Figura 13: Distribución del campo eléctrico transitorio en el centro de la antena a 0,524 ns.
Figura 14: Distribución del campo eléctrico transitorio en el centro de la antena a 0,628 ns.
