HFSS天線論 NSOFT HFSS天線設(shè)計(jì)論文 38

124 Ansoft2004 年用戶通訊 利用利用 ANSOFT 軟件仿真螺旋天線軟件仿真螺旋天線 常林 孫厚軍 呂昕 北京理工大學(xué)微波通信實(shí)驗(yàn)室 100081 摘要 本文介紹了 Ansoft HFSS8 0 在單螺旋天線仿真計(jì)算中的應(yīng)用 通過測量已有螺旋天線的尺寸 并計(jì)算相關(guān)參數(shù) 最后通過軟件進(jìn)行建模仿真 通過給出的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出 Ansoft HFSS 是一種行之有效的螺旋天線的仿真工具 它在工程預(yù)言 理論驗(yàn)證等研究方面都有很好的實(shí)用價(jià)值 關(guān)鍵詞 Ansoft HFSS 仿真 螺旋天線 1 螺旋天線的結(jié)構(gòu)與幾何特性螺旋天線的結(jié)構(gòu)與幾何特性 螺旋天線是由金屬導(dǎo)線或金屬管繞制成螺旋線 并正確饋電而構(gòu)成 螺旋天線通常由同軸饋電 同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與螺 旋線的一端相接 外導(dǎo)體與地板相接 若將螺旋線的一圈展開 其各幾何參數(shù)的關(guān)系如下并附有它的結(jié)構(gòu)示意圖 D 螺旋天線的直徑 C 螺旋天線的周長 C D S 螺距 S tg 螺距角 arctg C S L 一圈的長度 L N 圈數(shù) A 軸長 A NS d 螺旋導(dǎo)線的直徑 22 SC 螺旋天線的幾何結(jié)構(gòu)示意圖 螺旋天線可以以法向模和軸向模兩種模式工作 這取決于電尺寸 D 時(shí)發(fā)生法向模式 其最大輻射方向垂直于 螺旋天線的軸線 0 25 D 0 4 時(shí)發(fā)生軸向模 其最大輻射方向沿軸線法向 D 進(jìn)一步增加 方向圖呈圓錐形 發(fā)生法向模式時(shí) 由于法向螺旋天線與波長相比很小 假設(shè)在其全長電流的幅度和相位均勻 遠(yuǎn)場方向圖與圈數(shù)無關(guān) 因而通過一圈的研究即可得出遠(yuǎn)場方向圖 發(fā)生軸向模式時(shí) 軸向螺旋天線上的電流幾乎是由饋電點(diǎn)向外傳播的純行波 在其末端有很小的發(fā)射 因而返回地板 的入射波非常微弱 地板的影響可以忽略 由于電流沿著螺旋線不斷地旋轉(zhuǎn) 電場矢量也以相同方式旋轉(zhuǎn) 因而軸向上地 輻射場近似圓極化 螺旋線的周長約為一個波長 一圈相對兩側(cè)的電流相位相反 而螺旋線的圈對于相對點(diǎn)的電流又起倒 向作用 因而每圈相對點(diǎn)處的電流實(shí)質(zhì)上同相 導(dǎo)致沿螺旋線軸向遠(yuǎn)場相互加強(qiáng) 軸向模螺旋天線的方向圖可通過將其視 為 N 元均勻激勵等間距線陣求得 一圈的單元方向圖近似為一波長環(huán)天線的方向圖 2 單螺旋天線的仿真單螺旋天線的仿真 通過利用螺旋測微器和游標(biāo)卡尺測得的螺旋天線具體數(shù)據(jù)如下 介質(zhì)圓柱的直徑為 D 12 26mm 螺旋導(dǎo)線的直徑為 d 1 10mm 從金屬底盤到介質(zhì)柱頂端的總高度 L 52 45mm 螺旋導(dǎo)線的匝數(shù) N 5 螺距 S 8 513mm 金屬底盤的直徑 2R 80 00mm 饋線導(dǎo)入處圓心與介質(zhì)圓柱的圓心間的距離為d 21 88mm 又因?yàn)槔媒饘巽~柱進(jìn)行饋入 所以考慮到阻抗匹配問題并通過計(jì)算得出包圍金屬饋電圓柱的介質(zhì)管的半徑應(yīng)該是 r 1 84mm Partners In Design Ansoft2004 年用戶通訊 125 由上面的幾何參數(shù) 我們在 hfss 中繪制了它的三維幾何模型如下圖所示 單螺旋天線的三維幾何模型 下一步就是根據(jù)條件在 HFSS 中設(shè)置材料 我們將螺旋線設(shè)置為銅 同軸導(dǎo)電的內(nèi)芯的材料也設(shè)置為銅 而底面的反 射板的材料為鋁 而同軸的外層還有螺旋纏繞的圓柱的材料設(shè)置為介電常數(shù)為 2 1 的介質(zhì) 注意到這種材料在材料庫中并 沒有 我們可以利用 HFSS 軟件來自定義這種材料 最后將外圍的大圓柱設(shè)置為空氣 這一步在 HFSS 中的界面如下 HFSS 中的材料設(shè)置頁 第三步就是根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)在所繪制的三維結(jié)構(gòu)中來定義端口和輻射面 我們將同軸的在底版下底面的部分設(shè)置為 port 將包圍著螺旋天線的空氣圓柱的外表面設(shè)置為 boundary 見下圖 port 和 boundary 的設(shè)置 最后最后便是設(shè)置求解的參數(shù) 由發(fā)生軸向模的條件估算出其中心頻率為5 2GHz 然后設(shè)置掃頻的范圍是3 9 6 1GHz 便可以開始求解了 Partners In Design 126 Ansoft2004 年用戶通訊 3 對于仿真結(jié)果的分析對于仿真結(jié)果的分析 天線的增益方向圖 右上圖分別繪出了直角坐標(biāo)系下和極坐標(biāo)下的方向圖 三維方向圖還有幾何模型 由上面的結(jié)果可以看出 該天線的方向圖滿足了預(yù)先的要求 增益在 上大于 0 最大增益為 11dB 螺旋天線的 軸比也是一個很重要的指標(biāo) 下圖繪制了軸比與 theta 角的關(guān)系圖 可見 該天線的軸比還是很讓人滿意的 50 軸比與 theta 角的關(guān)系圖 VSWR 和頻率的關(guān)系圖 此外駐波也是天線的一個重要參數(shù) 其計(jì)算結(jié)果如右上圖 可見其在天線掃頻范圍 5 6GHz 內(nèi)的駐波均小于 2 7 最后我們來看看端口的匹配情況 上面兩副圖直觀的表現(xiàn)了端口阻抗的實(shí)部和虛部 基本達(dá)到了實(shí)部 50 虛部 0 的匹配要求 4 結(jié)論結(jié)論 通過 Ansoft HFSS 軟件對螺旋天線的仿真 其方向圖 主瓣寬度 阻抗匹配和駐波均達(dá)到了比較良好的效果 與實(shí)際 實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)吻合的很好 這些說明 Ansoft HFSS 軟件的數(shù)學(xué)模型正確 計(jì)算精