【無線射頻仿真】-電磁仿真大顯身手優(yōu)化螺旋天線設(shè)計(jì)

1/1電磁仿真大顯身手，優(yōu)化螺旋天線設(shè)計(jì)縫隙螺旋天線擁有多功能性和寬帶頻率響應(yīng)特性，因此被廣泛用于無線通信、傳感、定位、跟蹤及很多不同微波頻段的應(yīng)用。為了優(yōu)化縫隙螺旋天線的設(shè)計(jì)，工程師們可以利用電磁分析來精確計(jì)算諸如S參數(shù)和遠(yuǎn)場(chǎng)模式之類的特性。

縫隙螺旋天線的優(yōu)點(diǎn)

縫隙螺旋天線擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

近乎抱負(fù)的圓偏振輻射

寬帶頻率響應(yīng)

輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內(nèi)保持不變此外，縫隙螺旋天線設(shè)計(jì)易共形，可安裝在各種物體上。這對(duì)于國防等工業(yè)是一個(gè)有用特征，安裝在軍用車輛和飛機(jī)的縫隙螺旋天線可以發(fā)揮通信和監(jiān)視功能。

螺旋天線實(shí)例。圖片由BinimGarten拍攝，已獲CCBY-SA3.0授權(quán)，通過WikimediaCommons共享。

螺旋天線有許多種，最常見的是阿基米德螺旋天線。在本文，我們將爭(zhēng)論利用COMSOLMultiphysics軟件及其附加的"RF模塊'對(duì)此類天線進(jìn)行模擬。

借助COMSOLMultiphysics評(píng)估縫隙螺旋天線的設(shè)計(jì)

作為第一步，我們將爭(zhēng)論如何繪制由兩條阿基米德螺旋線狀狹縫構(gòu)成的縫隙螺旋天線的幾何。我們采納參數(shù)化曲線，在單面的金屬基底上制作出一個(gè)螺旋圖案。參數(shù)化曲線使得我們能夠利用數(shù)學(xué)公式繪制任意外形的曲線?；资且粋€(gè)完善電導(dǎo)體（perfectelectricconductor，簡(jiǎn)稱PEC），具有很高的導(dǎo)電性，表面的損耗可忽視不計(jì)。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵(lì)天線。

縫隙螺旋天線的幾何結(jié)構(gòu)（上圖）和網(wǎng)格（下圖）

天線和基底被空氣區(qū)域和完善匹配層（perfectlymatchedlayer，簡(jiǎn)稱PML）包圍，PML為上圖灰色部分。右圖的物理場(chǎng)掌握的網(wǎng)格由軟件默認(rèn)生成。依據(jù)頻域討論步驟定義的最大頻率，最大的網(wǎng)格尺寸被設(shè)為0.2波長。網(wǎng)格還會(huì)通過一些材料屬性進(jìn)行自動(dòng)縮放，比如介電基底內(nèi)部的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。PML層采納掃掠網(wǎng)格，沿著徑向包含5個(gè)網(wǎng)格單元。

查看電磁仿真結(jié)果

第一個(gè)繪圖展現(xiàn)了天線頂面的電場(chǎng)模。該圖表明沿縫隙的電場(chǎng)要強(qiáng)于天線表面其余地方的電場(chǎng)，這證明了電場(chǎng)被有效限制在帶縫隙的基底上。

其次張是S參數(shù)的計(jì)算結(jié)果繪圖。結(jié)果明確顯示，在討論的頻率范圍內(nèi)，S11約為-10dB。

xy平面上的對(duì)數(shù)電場(chǎng)模（上圖）和S參數(shù)繪圖（下圖）

為了進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)分析，我們首先創(chuàng)建一個(gè)二維極坐標(biāo)繪圖。繪圖便利直觀查看天線在各種頻率下的雙向輻射方向圖。我們發(fā)覺，不同頻率對(duì)應(yīng)的輻射方向圖的外形極其相像。

yz平面的極坐標(biāo)繪圖

最終是討論特定頻率（此例為3GHz）所對(duì)應(yīng)的三維雙向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。結(jié)果表明，沿z軸為最大輻射方