利用HFSS設(shè)計平面等角螺旋天線

1、利用HFSS設(shè)計平面等角螺旋天線杜起飛北京理工大學(xué)電子工程系 100081摘要：本文介紹了一種雙臂平面等角螺旋天線的設(shè)計過程，利用ANSOFT HFSS對其結(jié)構(gòu)進行了建模和仿真，工作頻率為0.4GHz3GHz，電壓駐波比VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。關(guān)鍵詞：HFSS、等角螺旋天線、寬帶匹配1. 引言天線的增益、輸入阻抗、方向圖等電特性參數(shù)在一個較寬的頻段內(nèi)保持不變或變化較小的天線稱為寬頻帶天線。一般情況下，天線性能參數(shù)是隨頻率變化的。有一類天線，它們的方向圖和阻抗在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)與頻率無關(guān)，這就是所謂的非頻變天線。本文所研究的是平面等角螺旋天線，它有很寬的工作頻帶

2、，具有很好的應(yīng)用前景，同時也是其它等角螺旋天線研究的基礎(chǔ)。2. 利用HFSS設(shè)計平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線在ANSOFT HFSS中的模型如圖1所示。它主要由平面螺旋輻射器、饋電電路板、普通反射腔和異形反射腔四部分組成。2.1 平面等角螺旋天線圖1 平面等角螺旋天線在HFSS中的模型 圖2 自補形平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線如圖2所示，金屬臂的四條邊緣均為平面等角螺旋線。邊緣1的方程為邊緣1旋轉(zhuǎn)角1=0ea，邊緣2相對于a()=e20，故其方程為。天線另一臂的邊緣應(yīng)使結(jié)構(gòu)對稱，即一臂旋轉(zhuǎn)半圈將于另一臂重合，因而有3=0ea()和4=0ea()。圖中的結(jié)構(gòu)是自補形，因而=/2。自補形平

3、面等角螺旋天線兩臂的四條邊緣曲線為：1=0ea=ea(22 (1) 0a()3=0ea()24=0e- 74 - Ansoft2004對于自補形結(jié)構(gòu)，方向圖的對稱性最好。由于平面等角螺旋天線的表面邊緣僅由角度描述，因而滿足非頻變天線對形狀的所有要求。2.2 饋電電路板由于平面等角螺旋天線是平衡對稱結(jié)構(gòu)，其饋電系統(tǒng)也應(yīng)采用平衡饋電方式。同軸線是傳統(tǒng)的超寬帶饋電線，具有良好的寬頻帶特性，但其饋電方式為非平衡饋電，所以需要增加相應(yīng)的非平衡饋電到平衡饋電轉(zhuǎn)換電路即巴倫的設(shè)計。最常用的匹配方法為指數(shù)漸變線匹配。與雙曲線漸變線、拋物漸變線、貝塞爾漸變線及切比雪夫漸變線相比較，當(dāng)1/<0.5時，指數(shù)線

4、的反射系數(shù)是最小的，而且頻帶極寬1。因此，本文選用指數(shù)漸變的微帶線到平行雙線作為平面等角螺旋天線的饋電電路。如圖3所示，巴倫由不平衡的微帶結(jié)構(gòu)逐漸過渡到平衡饋電的平行雙線結(jié)構(gòu)，其中接地板和微帶線均采用指數(shù)漸變方式，在工作頻帶內(nèi)由輸入端的50變?yōu)檩敵龆说?40指數(shù)線阻抗變換器是指傳輸方向按指數(shù)規(guī)律變化的傳輸線，即 23。Z0(z)=Z0(0)eaz(2)假定漸變線長為L，變阻比為R，即圖3 指數(shù)漸變的微帶線-雙線結(jié)構(gòu)示意圖 Z0(L)=RZ0(0) (3)則 a=1lnRL (4)當(dāng)L選定后，隨頻率增高，波長愈短，反射系數(shù)總的趨勢是越來越小。反射系數(shù)模的最大值為(0)=lnR4L (5)(0)m

5、ax的條件下，可由上式確定指數(shù)線的長度 因此，當(dāng)阻抗變換比R為已知，在滿足反射系數(shù)模不超過某一定值L=lnR40max (6)2.3 反射腔理論和實踐證明，普通反射腔的側(cè)壁對天線軸比和增益的影響較大，因此在設(shè)計時，在允許的尺寸范圍內(nèi)，應(yīng)使腔體直徑盡可能大。對于普通的平面等角螺旋天線，多在腔體內(nèi)添入微波吸收材料，這樣做可顯著提高天線的駐波比、帶寬和軸比特性，但是，天線的效率卻大大下降，因此決定不加微波吸收材料。但這會使天線方向圖帶寬變窄。由于天線的能量主要集中在主輻射區(qū)，當(dāng)頻率改變時，它的主輻射區(qū)直徑也隨之改變。如果能夠使反射波在任意頻率點，它到達平面螺旋輻射器表面所經(jīng)過的路徑的長度都等于該頻率

6、波長的二分之一，那么該天線仍然滿足寬頻帶特性思路，我們設(shè)計了如圖1所示天線結(jié)構(gòu)中的異形反射腔。異形反射腔體設(shè)計一般滿足以下幾點: 頂端直徑d處的周長等于其所對應(yīng)頻率點的主輻射區(qū)的周長。在這里，取為最高工作頻率點的波長； 頂端直徑d處到平面螺旋輻射器表面的距離h等于其所對應(yīng)頻率點波長的四分之一。在這里，取為最高工作頻率點波長的四分之一； 底端直徑D處的周長的取值同，在這里取為最低工作頻率點的波長； 底端到平面螺旋輻射器表面的距離的取值H同，在這里取為最低工作頻率點波長的四分之一。 4。按照這種3. 仿真結(jié)果利用ANSOFT HFSS在0.4GHz3GHz頻率范圍內(nèi)對天線模型進行三維電磁場仿真。在

7、整個頻率范圍內(nèi)，增益Gain>5dB。其中f=1.5GHz的遠(yuǎn)場方向圖如圖4所示。最大增益約為7dB，半功率波瓣寬度為80°。天線的電壓駐波比曲線如圖5所示。 結(jié)論圖4 天線遠(yuǎn)場方向圖f=1.5GHz利用ANSOFT HFSS軟件可以很方便的對天線進行建模仿真。同時HFSS是一套具有高度的精確性和可靠性的微波CAD軟件。借助于它，可以縮短我們的設(shè)計時間，提高工作效率。圖5 電壓駐波比曲線參考文獻：1 顧瑞龍, 沈民誼. 微波技術(shù)與天線M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 19802 Hofer D, Tripp V. K. A low-profile broadband balun feed J. Antennas and Propagation Society International Symposium, AP-S. Digest, 1993,