Lineaarinen polarisoitu Vivaldi-antenni 6 dBi:n tyypillinen vahvistus, 0,2–1,2 GHz:n taajuusalue RM-VA0212-6

Vivaldi-antennin toimintaperiaate, ominaisuudet ja sovellukset

Vivaldi-antenni, joka tunnetaan myös kapenevana rakoantennina, on laajakaistainen suunta-antenni, jota käytetään laajalti radiotaajuus-, mikroaalto-, tutka-, elektronisen sodankäynnin, mittaus- ja langattomissa testausjärjestelmissä. Sen tunnusomainen kapeneva aukko mahdollistaa sähkömagneettisen energian asteittaisen siirtymisen ohjatusta lähetysrakenteesta vapaaseen tilaan, mikä auttaa antennia saavuttamaan laajakaistaisen toiminnan ja suuntaavan säteilyn.

Verrattuna moniin resonanssiantenneihin, jotka on optimoitu suhteellisen kapealle taajuuskaistalle, Vivaldi-antennit käyttävät kulkevan aallon rakennetta. Tämä tekee niistä erityisen houkuttelevia järjestelmille, jotka vaativat laajan taajuusalueen sekä suhteellisen yksinkertaisen tasomaisen tai metallisen mekaanisen rakenteen.

Miten Vivaldi-antenni toimii?

Vivaldin perusantenni koostuu kahdesta johtavasta reunasta, jotka muodostavat kapenevan uran. Ura laajenee vähitellen kapeasta syöttöalueesta kohti leveämpää säteilyaukkoa.

Kun radiotaajuusenergia saapuu antenniin, sähkömagneettinen aalto kulkee kapenevaa rakoa pitkin. Rakoa levennettäessä ohjattu aalto kytkeytyy asteittain vapaaseen tilaan ja säteilee pääasiassa antennin avointa päätä kohti.

Tämä asteittainen siirtyminen on yksi tärkeimmistä syistä, miksi Vivaldi-antennit voivat tarjota laajakaistaominaisuuksia.

Alempaan käyttötaajuuteen vaikuttavat voimakkaasti aukon ja kartion fyysinen koko, kun taas korkeamman taajuuden suorituskyky riippuu enemmän tekijöistä, kuten syöttösiirtymästä, kartion geometriasta, johtimen mitoista ja valmistustarkkuudesta.

Säteilyominaisuudet

Vivaldi-antenni on yleensä päätyantenni, mikä tarkoittaa, että sen pääasiallinen säteily suuntautuu kapenevan aukon avoimeen päähän.

Sen säteilyominaisuudet riippuvat useista suunnitteluparametreista, mukaan lukien:

Aukon leveys
Kartiopituus ja profiili
Rehun rakenne
Käyttötaajuus
Maadoituksen ja johtimen geometria
Mekaaniset mitat

Taajuuden muuttuessa myös kapenevan rakenteen tehokas säteilyalue muuttuu. Tämä mahdollistaa antennin toiminnan suhteellisen laajalla taajuusalueella ilman, että se on riippuvainen yhdestä kapeasta resonanssista.

Vivaldi-antennit on yleensä suunniteltu lineaarista polarisaatiota varten, vaikka polarisaation suorituskyky riippuukin tietystä geometriasta ja syöttöjärjestelystä.

Vivaldi-antennien päätyypit

Useita Vivaldi-antennikonfiguraatioita käytetään yleisesti RF-tekniikassa.

Perinteinen Vivaldi-antenni
Käyttää kahden johtavan alueen väliin muodostettua kapenevaa uraa ja on yksi yleisimmistä toteutuksista.

Antipodaalinen Vivaldi-antenni
Käyttää johtavia elementtejä dielektrisen substraatin vastakkaisilla puolilla. Tämä kokoonpano voi tarjota kätevän siirtymän tietyistä siirtolinjan syötöistä säteilevään aukkoon.

Tasapainotettu antipodaalinen Vivaldi-antenni
Käyttää symmetrisempää monikerrosrakennetta kentän tasapainon ja polarisaatio-ominaisuuksien parantamiseksi joissakin laajakaistasovelluksissa.

Eri kokoonpanoja voidaan valita kaistanleveyden, polarisaation, syöttötavan, valmistusprosessin ja järjestelmäintegraatiovaatimusten mukaan.

Keskeiset parametrit Vivaldi-antennia valittaessa

Vivaldi-antennia valittaessa taajuusalue on vasta lähtökohta.

Vahvistus osoittaa, kuinka tehokkaasti antenni keskittää säteilyä eteenpäin.

VSWR heijastaa antennin ja radiotaajuusjärjestelmän välistä impedanssisovitusta. Alhaisempi VSWR tarkoittaa yleensä pienempää heijastunutta tehoa.

Polarisaation tulisi vastata kohde-RF-järjestelmää polarisaation epäsuhdan minimoimiseksi.

3 dB Säteenleveys kuvaa pääsukeilan kulmaleveyttä ja on tärkeä tutka-, valvonta- ja suuntamittaussovelluksissa.

Ristipolarisaation suorituskyky on myös tärkeää, kun polarisaation puhtaudella on merkitystä.

Järjestelmäintegraation aikana on otettava huomioon myös mekaaniset tekijät, kuten liittimen tyyppi, antennin mitat, paino, kiinnitysrakenne ja tehonkesto.

Esimerkiksi RF MISO:n RM-VA0212-6 lineaaripolarisoitu Vivaldi-antenni toimii taajuudella 0,2–1,2 GHz, tarjoaa tyypillisen vahvistuksen 6 dBi:ssä, käyttää lineaarista polarisaatiota ja N-naarasliitäntää, ja se on tarkoitettu tutka-, satelliittiviestintä-, elektronisen sodankäynnin ja huippuluokan langattomien testaussovellusten käyttöön.

Vivaldi-antennien edut

Vivaldi-antennit tarjoavat useita käytännön etuja:

Laaja toimintakaistanleveys
Suunnattu päätysäteily
Suhteellisen yksinkertainen säteilevä rakenne
Hyvä yhteensopivuus laajakaistaisten RF-järjestelmien kanssa
Skaalautuva suunnittelu eri taajuusalueilla
Sopii yksielementtisiin ja matriisikokoonpanoihin

Niiden laajakaistaominaisuudet tekevät niistä erityisen hyödyllisiä, kun järjestelmän on katettava useita taajuuksia ilman antennien vaihtamista usein.

Sovellukset

Vivaldi-antenneja käytetään yleisesti:

Tutkajärjestelmät
Elektroninen sodankäynti
Laajakaistainen RF-mittaus
Langattoman verkon testaus
Suunnan löytäminen
Signaalin valvonta
Mikroaaltokuvaus
Viestintäjärjestelmät
Antenniryhmät
Tutkimus- ja laboratoriosovellukset

Antennijärjestelmissä voidaan myös järjestää useita Vivaldi-elementtejä suuremman vahvistuksen, kapeampien säteiden tai elektronisen säteenohjausominaisuuden saavuttamiseksi.

Johtopäätös

Vivaldi-antenni yhdistää kapenevan uran kulkevan aallon rakenteen, laajakaistaisen toiminnan ja suuntaavan säteilyn, mikä tekee siitä monipuolisen antenniarkkitehtuurin nykyaikaisille RF- ja mikroaaltojärjestelmille.

Sen todellinen suorituskyky riippuu kartiogeometriasta, aukon koosta, syöttösuunnittelusta, toimintataajuudesta ja mekaanisesta toteutuksesta. Siksi insinöörien tulisi arvioida paitsi kaistanleveyttä ja vahvistusta myös VSWR:ää, polarisaatiota, keilanleveyttä, ristipolarisaation suorituskykyä, RF-rajapintaa ja asennusvaatimuksia sopivaa mallia valitessaan.

Tutka-, elektronisen sodankäynnin, laajakaistamittausten, viestinnän ja langattomien testaussovellusten sovelluksissa Vivaldi-antennit tarjoavat joustavan ratkaisun, jossa sekä laaja taajuusalue että suuntaava radiotaajuussuorituskyky ovat tärkeitä.