螺旋天線的仿真設(shè)計微波課設(shè)

1、 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)班級學(xué)生姓名課程名稱微波技術(shù)與天線課程設(shè)計設(shè)計名稱螺旋天線的仿真設(shè)計設(shè)計周數(shù)1.5周指導(dǎo)教師設(shè)計任務(wù)主要設(shè)計參數(shù)1 熟悉HFSS仿真平臺的使用2 熟悉圓極化天線的工作原理與設(shè)計方法3 在HFSS平臺上完成如下螺旋天線的仿真設(shè)計 中心頻率 f=4GHZ， =75mm; 螺旋導(dǎo)體的半徑 d=0.15=11.25mm; 螺旋線導(dǎo)線的半徑 a=0.5mm; 螺距 s=0.25=18.75mm; 圈數(shù) N=3; 軸向長度 l=Ns;4 結(jié)合同組其他同學(xué)的設(shè)計結(jié)果完成對于該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間關(guān)系的探討5 在1.5周內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)設(shè)計內(nèi)容設(shè)計要求6.25：分

2、組、任務(wù)分配、任務(wù)理解6.26：查閱參考資料，理論上熟悉所設(shè)計的器件的工作原理與特性，完成方案的設(shè)計6.276.29：熟悉仿真平臺的使用，完成在平臺上的建模，設(shè)置，結(jié)果提取與分析，以及驗收。7.2：同組同學(xué)結(jié)果匯總及討論7.37.4：設(shè)計說明書的撰寫 在設(shè)計過程中，作為設(shè)計小組成員，每位同學(xué)要具有團(tuán)隊意識和合作精神，并最終獨(dú)立完成自己的設(shè)計任務(wù)。主要參考資 料劉學(xué)觀，微波技術(shù)與天線，西安電子科技大學(xué)電出版社，2008.顧繼慧，微波技術(shù)，科學(xué)出版社，2007.李明洋，HFSS應(yīng)用設(shè)計詳解，人民郵電出版社，2010. 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 課程設(shè)計裝訂線專業(yè)班級 學(xué)號

3、姓名 成績 一、設(shè)計題目 螺旋天線的仿真設(shè)計 二、設(shè)計目的 （1）熟悉Ansoft HFSS軟件的使用。 （2）學(xué)會螺旋天線的仿真設(shè)計方法。 （3）完成螺旋天線的仿真設(shè)計，并查看S參數(shù)以及場分布。 三、實驗原理 螺旋天線（helical antenna）是一種具有螺旋形狀的天線。它由導(dǎo)電性能良好的金屬螺旋線組成，通常用同軸線饋電，同軸線的心線和螺旋線的一端相連接，同軸線的外導(dǎo)體則和接地的金屬網(wǎng)（或板）相連接，該版即為接地板。螺旋天線的輻射方向與螺旋線圓周長有關(guān)。當(dāng)螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強(qiáng)的方向垂直于螺旋軸；當(dāng)螺旋線圓周長為一個波長的數(shù)量級時，最強(qiáng)輻射出現(xiàn)在螺旋旋軸方向上。 四

4、、設(shè)計要求 設(shè)計一個右手圓極化螺旋天線，要求工作頻率為4G，分析其遠(yuǎn)區(qū)場輻射特性以及S曲線。 本設(shè)計參數(shù)為：螺旋天線的中心頻率 f=4GHz ， =75mm； 裝訂線 螺旋導(dǎo)體的半徑 d=0.15=11.25mm； 螺旋線導(dǎo)線的半徑 a=0.5mm； 螺距 s=0.25=18,75mm； 圈數(shù) N=3； 軸向長度 l=Ns； 五、設(shè)計仿真步驟 在HFSS建立的模型中，關(guān)鍵是畫出螺旋線模型。畫螺旋線，現(xiàn)說明螺旋線模型的創(chuàng)建。 1、建立新的工程 運(yùn)行HFSS，點(diǎn)擊菜單欄中的Project>Insert Hfss Dessign，建立一個新的工程。 2、設(shè)置求解類型 （1）在菜單欄中點(diǎn)擊HFS

5、S>Solution Type。 （2）在彈出的Solution Type窗口中 （a）選擇Driven Modal 。 （b）點(diǎn)擊OK按鈕。 3、設(shè)置模型單位 將創(chuàng)建模型中的單位設(shè)置為毫米。 （1）在菜單欄中點(diǎn)擊3D Modeler>Units。 （2）設(shè)置模型單位： （a）在設(shè)置單位窗口中選擇：mm。 （b）點(diǎn)擊OK按鈕。 4、設(shè)置模型的默認(rèn)材料 在工具欄中設(shè)置模型的下拉菜單中點(diǎn)擊Select，在設(shè)置材料窗口中選擇copper（銅）材料，點(diǎn)擊OK按鈕（確定）確認(rèn)。 5、創(chuàng)建螺旋天線模型 （1）創(chuàng)建螺旋線Helix。 在菜單中點(diǎn)擊Draw>Circle,輸入圓的中心坐標(biāo)。X

6、:11.25 Y:0 Z:0 ,按回車鍵結(jié)束。輸入圓的半徑dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Porperties）窗口中將Axis改為Y。點(diǎn)擊確認(rèn)。在歷史操作樹中選中該circle。在菜單鍵點(diǎn)擊Draw>Helix，在右下角的輸入欄中 裝訂線 輸入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回車鍵結(jié)束輸入；在右下角的輸入欄中輸入dX:0 dY:0 dZ;50；按回車鍵；在彈出的Helix窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:18.75(mm) Tuns:3; Radius change per Turn:0點(diǎn)擊OK。在特性窗口中選擇Att

7、ribute標(biāo)簽，將名字改為Helix。 （2）建立螺旋天線與同軸線相連的連接桿ring。 在菜單中點(diǎn)擊Draw>Cylider,創(chuàng)建圓柱模型。輸入坐標(biāo)為X:11.25，Y:0 Z;0 ，按回車鍵結(jié)束輸入。輸入半徑dX:0.5 dY:0 dZ:0 ，按回車鍵結(jié)束輸入，輸入圓柱長度dX;0 dY:0 dZ:-3,按回車鍵結(jié)束輸入。在特性窗口中選擇Attribute選項卡，將名字改為ring，點(diǎn)擊確定。 （3）創(chuàng)建球體Sphere1。 為了把Helix和ring連接起來，創(chuàng)建一個球體Sphere1，點(diǎn)擊Draw>Sphere,輸入球心坐標(biāo)X:22.5 Y:0 Z:0；按回車鍵結(jié)束輸入。

8、輸入球體半徑，dX:0.5 dY:0 dZ:0；在特性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為Sphere1。 （4）將Helix、ring和Sphere1結(jié)合起來。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇ring，Helix和Sphere。在菜單欄中點(diǎn)擊3Dmodeler>Boolean>Unite。點(diǎn)擊OK結(jié)束。形成的模型如下圖2所示。 圖2、螺旋線模型6、建立同軸線饋線。 （1）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X： 裝訂線 11

9、.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱半徑：dX：4，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為ringout。 （2）在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：11.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱半徑：dX：3.95，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Pr

10、operty）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為ringin。 （3）在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇ringout，ringin。在菜單欄中點(diǎn)擊3Dmodeler>Boolean>Subtract，在Subtract窗口中作如下設(shè)置：Blank Parts:ringout,Tool Parts:ringin,Clone tool objects before subtract復(fù)選框不選。點(diǎn)擊OK結(jié)束設(shè)置。（4）創(chuàng)建內(nèi)導(dǎo)體ringcenter。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模

11、型。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：11.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱半徑：dX：0.5，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為ringcenter。 （5）在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇Helix和ringcenter。在菜單欄中點(diǎn)擊3Dmodeler>Boolean>Unite。點(diǎn)擊OK結(jié)束。 7、建立接地板（1）在菜單欄中點(diǎn)

12、擊 DrawCircle，創(chuàng)建圓模型。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓中心坐標(biāo)：X：11.25，Y：0，Z：-3 按回車鍵結(jié)束輸入。在坐輸入欄中輸入圓的半徑：dx：37.5,dy:0,dz:0 按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（property）窗口中選擇 attribute 標(biāo)簽，將圓柱的名字修改為 groundplane.2在菜單欄中點(diǎn)擊 DrawCircle，創(chuàng)建圓模型。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓中心坐標(biāo)：X：11.25 Y：0 Z：_3 按回車鍵結(jié)束輸入。 在坐輸入欄中輸入圓的半徑： dX:1,dy:0,dz:0 按回車鍵結(jié)束輸入。（3）在菜單欄中點(diǎn)擊 editselectby name，在彈出的窗口中利用 c

13、trl 鍵選擇groundplanecircle，在菜單欄中點(diǎn)擊 3DmodelerBooleansbstract，在 substract 窗口中 作 如 下 設(shè) 置 ： blankparts:groundplanetoolpart:circleclone tool objects beforesubstract 復(fù)選框不選。點(diǎn)擊 OK 結(jié)束設(shè)置。8、創(chuàng)建輻射邊界 （1）設(shè)置默認(rèn)材料。 在工具欄中設(shè)置模型的默認(rèn)材料為真空（vacuun）。 （2）創(chuàng)建Air。在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：11.25，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束

14、輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓柱半徑：dX：50，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：150按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為Air，按確定鍵結(jié)束。在3D模型窗口中以合適大小顯示（可用Ctrl+D操作）。 （3）設(shè)置輻射邊界。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中選擇Air，點(diǎn)擊OK按鈕。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Radiation。在輻射邊界窗口中，將輻射邊界命名為Rad1，點(diǎn)擊OK結(jié)束。 裝訂線 9、創(chuàng)建波端

15、口 同軸線采用波端口激勵，首先要創(chuàng)建波端口面，并將其設(shè)置為波端口。 （1）創(chuàng)建端口圓面模型，在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Circle。在坐標(biāo)欄中輸入圓心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：11.25，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓半徑：dX：3.95，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標(biāo)簽，將該圓柱的名字改為p1。（2）設(shè)置波端口。在菜單欄中點(diǎn)擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中選擇p1，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Exciations>Assign>Lumped Port。在Lumped

16、Port窗口中General標(biāo)簽中，將該端口命名為wave。在Modest標(biāo)簽中設(shè)置積分線，在Integration Line中點(diǎn)擊None，選擇New Line，在坐標(biāo)欄中輸入X：15.2，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標(biāo)欄中輸入圓半徑：dX：-3.45，dY：0，dZ：0。點(diǎn)擊Next直至結(jié)束。 10、輻射場角度設(shè)置 在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere,在輻射遠(yuǎn)場對話窗中做一下設(shè)置：Name：ff-2d；Phi：（Start：0，Stop:180,Step Size：90）；T

17、heta：（Start：0，Stop:360,Step Size：10）。點(diǎn)擊OK按鈕。 11、求解設(shè)置 （1）設(shè)置求解頻率。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。在求解設(shè)置窗口中做一下設(shè)置：Solution Frequency：4GHZ；Maximum Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass：0.02；點(diǎn)擊OK按鈕。（2）設(shè)置掃頻。在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Analysis Setup>Add Sweep。選擇Setup1，點(diǎn)擊OK按鈕。在掃頻窗口中做一下設(shè)置：Swe

18、ep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start：3GHZ，Stop：5GHZ；Count：201。將Save Field復(fù)選框選中，點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)，這一步操作為了將掃頻中每一頻點(diǎn)的場都保存下來。 12、確認(rèn)設(shè)計 由主菜單選HFSS/Validation Check對設(shè)計進(jìn)行確認(rèn)，如圖3。 圖3 確認(rèn)設(shè)計如圖3所示均打勾即可，點(diǎn)Close結(jié)束。 13、保存工程 在菜單欄中點(diǎn)擊File>Save As,在彈出的窗口中將工程命名為hfss-luoxuan，并選擇保存路徑。14、求解該工程 在菜單欄點(diǎn)擊HFSS>Analyze?？?/p>

19、能會花幾個小時，耐心等待。 15、后處理操作 （1）S參數(shù)（反射系數(shù)）。 繪制該問題的反射系數(shù)曲線，該問題為單端口問題，因此反射系數(shù)是S11。點(diǎn)擊菜單欄HSFF>Result>Creat Report。在創(chuàng)建報告窗口中做以下選擇：Report Type：Modal S Parameters；Display Type：Rectangle點(diǎn)擊OK按鈕。在Trace窗口中做以下設(shè)置：Solution：Setup1：Sweep1；Domain：Sweep點(diǎn)擊Y標(biāo)簽，選擇：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后點(diǎn)擊Add T

20、race按鈕。點(diǎn)擊Done按鈕完成操作，繪制出反射系數(shù)曲線。 （2）2D輻射遠(yuǎn)場方向圖。 在菜單欄點(diǎn)擊HSFF>Result>Creat Report。在創(chuàng)建報告窗口中做以下選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。點(diǎn)擊OK按鈕。在Trace窗口中做以下設(shè)置：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff-2d。在Sweep標(biāo)簽中，在Name這一項點(diǎn)擊第一個變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點(diǎn)擊Mag標(biāo)簽，選擇：Category：Gain；Quantity：Gain Total；Function： 裝訂線 dB，然后點(diǎn)擊Add Trace按鈕。點(diǎn)擊Done按鈕完成操作，繪制出方向圖。 15、保存并推出HFSS 六、仿真結(jié)果 1.反射系數(shù)S11曲線s11越小，反射波越小，也就是天線輻射出去