Vivaldi-Antenne
Die Vivaldi-Antenne (auch englisch tapered slot antenna für „Antenne mit sich erweiterndem Schlitz“; kurz: TSA) ist eine Breitbandantenne für den Mikrowellen-Bereich, die aus einer koplanaren Struktur auf einem metallisierten dielektrischen Substrat besteht (Bild).[1] Die Bezeichnung geht auf Peter J. Gibson zurück, der diese Antennenbauform 1979 auf der Europäischen Mikrowellenkonferenz erstmals beschrieb.[2]
Die einzelnen Strahlerelemente können auf einer Leiterplattenebene (koplanare Vivaldi-Antenne), auf zwei (antipodale Vivaldi-Antenne) oder drei Ebenen (symmetrisch-antipodale Vivaldi-Antenne) verteilt sein. Antipodale Vivaldi-Antennen können direkt an eine koaxiale Leitung angeschlossen werden.[3]
Funktionsweise
Koplanare Vivaldi-Antennen werden über eine Schlitzleitung gespeist. Sollte die Anpasselektronik in Mikrostrip-Technologie vorliegen, ist ein Übergang notwendig. Dieser lässt sich relativ breitbandig realisieren, wenn die Streifenleitung mit einem kreissektorförmigen Flächenelement abgeschlossen wird. Dadurch wird ein Stromknoten im Kreuzungspunkt realisiert. Die Schlitzleitung hingegen wird mit einem kreisförmigen Freiraum, der eine viertel Wellenlänge lang ist, ebenfalls breitbandig abgeschlossen. Die eigentliche Antenne ist ein zweidimensionales Exponentialhorn, das die gerichtete Abstrahlung einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle bewirkt. Insgesamt erfolgt eine reflexionsarme Transformation der Wellenimpedanz der Streifenleitung auf den abweichenden Freiraumwellenwiderstand.
Vivaldi-Antennen können für lineare Polarisation oder – wenn zwei Antennen senkrecht zueinander angeordnet werden – für beide Polarisationsrichtungen aufgebaut werden.
Wenn die beiden orthogonalen Antennen mit einem um 90° phasenverschobenen Signal gespeist werden, wird eine zirkular polarisierte Welle ausgestrahlt bzw. empfangen. Die Erzeugung einer breitbandig konstanten Phasenverschiebung von 90° ist jedoch schwierig zu realisieren.
Der Vorteil von Vivaldi-Antennen liegt in ihrer einfachen Herstellung, bei der übliche Verfahren der Leiterplatten-Herstellung genutzt werden können, sowie ihrer Breitbandigkeit und der einfachen Anpassung an die Speiseleitungsimpedanz mithilfe der Modellierung der Streifenleiter-Speise-Struktur.
Die Vivaldi-Antenne kann als planare Form eines Steghornstrahlers aufgefasst werden.
Namensursprung
Die Namensgebung dieser planaren Mikrowellen-Antenne ist nicht vollständig geklärt. Vom Erfinder Peter Gibson selbst, der 2010 verstarb, ist keine schriftliche Erklärung seiner Namenswahl überliefert. Ein Freund und früherer Kollege jedoch, der in den 1980er-Jahren mit ihm zusammen im Philips-Forschungslaboratorium arbeitete und mit ihm bis zu seinem Tod in Kontakt blieb, berichtet über ihn:
“Peter was really into music, composing pieces, teaching piano in those days and was a church organist. He told me that he called the tapered slot antenna a ‘Vivaldi’ as it looked like the cross-section of an early trumpet. Vivaldi had written a trumpet concerto, and it was the 300th anniversary of Vivaldi’s birth in 1678. Anyway, that was Peter’s own explanation of why he gave the name.”
„Peter [Gibson] interessierte sich damals sehr für Musik, komponierte Musikstücke, gab Klavierunterricht und war Kirchenorganist. Er erzählte mir, dass er die angepasste Schlitzantenne als „Vivaldi“ bezeichnet hatte, da sie wie der Querschnitt einer frühen Trompete aussah. [Der venezianische Komponist] Vivaldi [(1678–1741)] hatte ein Trompetenkonzert geschrieben, und es [das Jahr 1978, in dem diese Antenne entwickelt wurde] war der 300. Jahrestag von Vivaldis Geburt im Jahr 1678. Wie auch immer, das war Peters eigene Erklärung für die Namensgebung.“
Literatur
- Peter J. Gibson: The Vivaldi Aerial Veröffentlichung in den Conference Proceedings der Europäischen Mikrowellenkonferenz (englisch). Abgerufen: 25. April 2016.
- Alois Krischke: Rothammels Antennenbuch. 13. Auflage, DARC Verlag GmbH, Baunatal, 2013, ISBN 978-3-88692-065-5, S. 371.
Weblinks
- Vivaldi Print Typisches Layout einer Vivaldi-Antenne. Abgerufen: 27. April 2016.
- Graphische Simulation der Abstrahlung einer Vivaldi-Antenne - Universität Karlsruhe
- Vivaldi antenna, Microwave Encyclopedia, engl. (abgefragt am 21. Mai 2010)
- Yuan Yaoa, Wenhua Chen, Bin Huanga, Zhenghe Fenga, Zhijun Zhang: Analysis and Design of Tapered Slot Antenna for Ultra-Wideband Applications; 29. Jan. 2009 in http://www.sciencedirect.com
Einzelnachweise
- ↑ Tapered Slot Vivaldi Antenna
- ↑ P. J. Gibson: The Vivaldi Aerial. IEEE, 1979 (European Microwave Conference Article).
- ↑ Beschreibung der Vivaldi-Antenne im Radartutorial
- ↑ Vivaldi-Antenne auf Microwaves 101.com (englisch). Abgerufen 25. April 2016.
Auf dieser Seite verwendete Medien
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Linerare Anordnung von vier Vivaldi-Antennen
Vivaldi Antenna pattern
Autor/Urheber: Chetvorno, Lizenz: CC0
Animation showing how a horn loudspeaker works. The image shows a cross section through the center of the speaker. Horn speakers are used as tweeters and midrange drivers in audio speaker systems, and in public address systems. A horn speaker consists of a special diaphragm loudspeaker called a compression driver (A), attached to a flaring horn (B) which conducts the sound waves (grey) to the open air. The driver contains a stiff metal diaphragm (blue) that is vibrated by the audio signal current passing through a coil of wire (red) between the poles of a magnet (green). The diaphragm pushes against the air creating sound waves. The horn couples the sound waves efficiently to the outside air, increasing the acoustic impedance, enabling the driver to radiate more of its power as sound waves, increasing the loudness of the sound. The diaphragm of the driver is larger than the entrance throat of the horn, creating a high sound pressure in the horn to improve the efficiency. The advantage of a horn speaker is that it is more efficient than a cone speaker; it can typically produce 10 dB more sound from a given amplifier power.
Autor/Urheber: FarField, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Vivaldi-Antenne auf Leiterplatte (PCB) mit angelötetem Koaxialkabel und SMA-Buchse