《電波與天線》課件第6章

項(xiàng)目六用HFSS仿真寬頻帶天線6.1螺旋天線6.2對數(shù)周期天線 6.1螺旋天線

6.1.1寬頻帶天線的條件

1、角度條件

前面討論的天線尺寸，要想保持其性能不變，其尺寸要隨著電磁波波長的增大而增大。這使我們聯(lián)想到一個腦筋急轉(zhuǎn)彎的問題，即什么東西不能被放大鏡放大，答案就是角度不能被放大鏡放大。依據(jù)這個思路，寬頻帶天線應(yīng)該滿足角度條件，即指天線的形狀僅取決于角度，而與其他尺寸無關(guān)。換句話說，當(dāng)工作頻率變化時，天線的形狀、尺寸與波長之間的相應(yīng)關(guān)系不變。

1.角度條件

前面討論的天線尺寸，要想保持其性能不變，其尺寸要隨著電磁波波長的增大而增大。這使我們聯(lián)想到一個腦筋急轉(zhuǎn)彎的問題，即什么東西不能被放大鏡放大，答案就是角度不能被放大鏡放大。依據(jù)這個思路，寬頻帶天線應(yīng)該滿足角度條件，即天線的形狀僅取決于角度，而與其他尺寸無關(guān)。換句話說，當(dāng)工作頻率變化時，天線的形狀、尺寸與波長之間的相應(yīng)關(guān)系不變。圖6－1所示為平面等角螺旋天線的等角螺旋線?！暗冉恰笔侵嘎菪€與矢徑r間的夾角處處相等。等角螺旋線的極坐標(biāo)方程為式中，r0是對應(yīng)于φ=0°時的矢徑；α是決定螺旋線張開快慢的一個參量，1/α稱為螺旋率。圖6－1

2.終端效應(yīng)弱

還拿放大鏡看角度做例子，如果角度的邊長是有限的，那么經(jīng)過放大鏡觀察角度，雖然其度數(shù)沒有發(fā)生變化，但這個有限邊長的角度形狀還是發(fā)生了變化。如果邊長是無限長的角度，經(jīng)過放大鏡后，那就和原來的完全相同了。依據(jù)這個思路，實(shí)際天線的尺寸總是有限的，有限尺寸的結(jié)構(gòu)不僅是角度的函數(shù)，也是長度的函數(shù)。因此，當(dāng)天線為有限長時，如果天線上的電流衰減很快，則天線輻射特性主要由載有較大電流的那部分決定，而其余部分作用較小，若將其截去，對天線的電性能影響也不大，這樣的有限長天線就具有近似無限長天線的電性能，這種現(xiàn)象稱為終端效應(yīng)弱。終端效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于天線的結(jié)構(gòu)。

滿足上述兩條件，即構(gòu)成非頻變天線。非頻變天線分為兩大類：等角螺旋天線和對數(shù)周期天線。6.1.2平面等角螺旋天線

圖6－2所示是按角度條件由兩個對稱金屬臂組成的平面等角螺旋天線，它可看成是一條變形的傳輸線。圖中，螺旋線與矢徑的夾角ψ（稱為螺旋角）為一常數(shù)，它只和螺旋率有關(guān)，即tanψ=1/a。當(dāng)轉(zhuǎn)角從φ=0°逆時針增大時，r不斷增大直至無窮大；當(dāng)轉(zhuǎn)角φ從φ=0°順時針增大時，r以指數(shù)規(guī)律減小，向原點(diǎn)逼近。

每個臂的邊緣線都滿足式（6－1）的曲線方程且具有相同的α，只要將臂的一個邊緣線旋轉(zhuǎn)δ角就會與該臂的另一個邊緣線重合。圖6－2若令天線的一個金屬臂的兩個邊緣為則天線的另一個臂具有對稱結(jié)構(gòu)形式，即，。取δ＝π/2，這時天線的金屬臂與兩臂之間的縫隙的形狀相同，即兩者互相補(bǔ)償，稱為自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。研究表明具有自補(bǔ)結(jié)構(gòu)的天線的輸入阻抗是一純電阻，與頻率無關(guān)。可以將天線兩臂看成是一對變形的傳輸線，在螺旋天線的始端由電壓激勵激起電流并沿兩臂邊傳輸、邊輻射、邊衰減，臂上每一小段均可看成一個基本輻射元，總輻射場就是這些基本元輻射場的疊加。實(shí)驗(yàn)證明，臂上電流在流過一個波長的臂長后，電流迅速衰減到-20dB以下。因此其有效輻射區(qū)就是周長約為一個波長以內(nèi)的部分。這種性質(zhì)符合終端效應(yīng)弱的條件。研究表明，自補(bǔ)等角螺旋天線具有以下的輻射特性：最大輻射方向垂直于天線平面，且為雙向輻射，即在天線平面的兩側(cè)各有一個主波束。設(shè)天線平面的法線與幅射線之間的夾角為θ，其方向圖可以近似表示為cosθ。在θ≤７０°的錐角范圍內(nèi)，場的極化接近于圓極化，極化方向由螺旋線張開的方向決定。天線的工作頻帶由截止半徑r0和天線最外緣的半徑R0決定。通常取一圈半螺旋來設(shè)計(jì)這一天線，即外徑R0=r0eα3π。若以α=0.221代入，可得R0＝8.03r0，則工作波長的上下限為λmin≈(4～8)r0，λmax≈4R0，帶寬在8倍頻程以上。幾何參量α和δ對天線性能也有影響：α愈小，螺旋線的曲率愈小，電流沿臂衰減愈快，波段性能愈好；δ則與天線的輸入阻抗有關(guān)。但α和δ對天線方向圖的影響均不大。也可將平面的雙臂等角螺旋天線繞制在一個旋轉(zhuǎn)的圓錐面上，這就構(gòu)成了圓錐形等角螺旋天線。這一天線在沿錐尖方向具有最強(qiáng)的輻射，可以實(shí)現(xiàn)錐尖方向的單向輻射，它的其他性質(zhì)與平面等角螺旋天線類似，且方向圖仍然保持寬頻帶和圓極化特性。平面和圓錐等角螺旋天線的頻率范圍可以達(dá)到20倍頻程或者更大。

因式（6－1）又可寫為如下形式（6-3）所以，等角螺旋天線又稱為對數(shù)螺旋天線。6.1.3阿基米德螺旋天線

另一種常用的平面螺旋天線是阿基米德螺旋天線，其結(jié)構(gòu)如圖6－3所示。該天線臂曲線的極坐標(biāo)方程為式中，r0是對應(yīng)于φ=0°的矢徑。天線的兩個螺旋臂分別是r1=r0φ和r2=r0(φ－π)。為了明顯地將兩臂分開，圖中分別用虛線和實(shí)線表示這兩個臂。圖6－3由圖可知，由于兩臂交錯盤旋，且兩臂上的電流是反相的，表面看似乎其輻射是彼此相消的，但事實(shí)并非如此。研究圖中Ｐ和Ｐ′點(diǎn)處的兩線段，設(shè)OP和OQ相等，即P和Q為兩臂上的對應(yīng)點(diǎn)，對應(yīng)線段上電流的相位差為π，由Q點(diǎn)沿螺旋臂到Ｐ′點(diǎn)的弧長近似等于π·r，這里ｒ?yàn)镺Q的長度。故P點(diǎn)和Ｐ′點(diǎn)電流的相位差為π+βπr=π+2π2r/λ，若設(shè)r=λ/2π，則P點(diǎn)和Ｐ′點(diǎn)的電流相位差為2π。因此，若滿足上述條件，則兩線段的輻射是同相疊加而非相消的。也就是說，這一天線的主要輻射集中在r=λ/2π的螺旋線上，這稱為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之而變，但由此產(chǎn)生的方向圖的變化卻不大，故阿基米德螺旋天線也具有寬頻帶特性。如果在這一天線面的一側(cè)加一圓柱形反射腔，就構(gòu)成了背腔式阿基米德螺旋天線，它可以嵌裝在運(yùn)載體的表面下。

阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高和易嵌裝等優(yōu)點(diǎn)，故目前使用比較廣泛。6.1.4在HFSS中仿真平面對數(shù)螺旋天線

任務(wù)要求：用HFSS計(jì)算出平面對數(shù)螺旋天線的特性參數(shù)。

測試設(shè)備：計(jì)算機(jī)、HFSS軟件。

設(shè)計(jì)步驟：

1.初始步驟

(1)打開軟件AnsoftHFSS。

點(diǎn)擊Start按鈕，選擇Program，然后選擇Ansoft/HFSS10，點(diǎn)擊HFSS10。

（2）新建一個項(xiàng)目。

在窗口中，點(diǎn)擊新建，或者選擇菜單項(xiàng)File/New。

在Project菜單中，選擇InsertHFSSDesign。（3）設(shè)置求解類型。

點(diǎn)擊菜單項(xiàng)HFSS/SolutionType，在跳出的如圖6－4所示的窗口中選擇Driven

Modal，再點(diǎn)擊OK按鈕。圖6－4（4）為建立模型設(shè)置適合的單位，如圖6－5所示。圖6－5

2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制平面對數(shù)螺旋線。

選擇菜單項(xiàng)Draw/DrawEquationBasedCurve，打開曲線方程設(shè)置框，所需繪制的曲線其參數(shù)方程為：

x=3.11*exp(0.221*t)*cos(t)

y=3.11*exp(0.221*t)*sin(t)

t=0～4π，step：π/16，即t以π/16為一步長畫個點(diǎn)。

所以在曲線參數(shù)方程設(shè)置框中做如圖6－6所示的設(shè)置。在隨后跳出的窗口中按圖6－7所示的設(shè)置。圖6－6圖6－7圖6－8由于天線是具有一定寬度的平面對數(shù)螺旋帶，以相同方法繪制螺旋帶的另一邊，其曲線參數(shù)方程為：

x=3.11*exp(0.221*(t-π/2))*cos(t)

y=3.11*exp(0.221*(t-π/2))*sin(t)

t=π/2～4π，step：π/16，即t也以π/16為一步長畫個點(diǎn)。

其參數(shù)方程設(shè)置如圖6－9所示。

繪制好的兩條平面對數(shù)螺旋線如圖6－11所示。圖6－9圖6－10圖6－11（2）繪制閉合曲面。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Arc(圓弧)，選擇CenterPoint，首先將已繪制好的兩條螺旋線的初始端用以坐標(biāo)原點(diǎn)為弧心的圓弧連起來，其連接后的效果如圖6－12所示。圖6－12圖6－13將該閉合曲線構(gòu)成平面。

首先在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇EquationCurve1、EquationCurve2、Polyline1、Polyline2，在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler/Boolean/Unite，如圖6－14所示。圖6－14選擇菜單項(xiàng)3DModeler/Surface(表面)，選擇CoverLines，形成封閉螺旋面，如圖6－15所示。圖6－15在工具欄中選擇材料PEC，選擇菜單項(xiàng)Draw/Sweep(表面)，選擇AlongVector，確定位移矢量起點(diǎn)為(0，0，0)，終點(diǎn)為(0，0，1)，即向Z軸移動1mm，之后跳出的設(shè)置對話框如圖6－16所示。圖6－16如圖6－17所示，填充材料選擇PEC后，得圖6－18所示的圖形。圖6－17圖6－18選擇菜單項(xiàng)Edit(編輯)/Duplicate(復(fù)制)，選擇AroundAxis(沿坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)復(fù)制)沿Z軸旋轉(zhuǎn)180°，其具體設(shè)置如圖6－19所示。圖6－19圖6－20

(3)繪制輻射面。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder(圓柱體)，其底面圓心為(0，0，0)，半徑為61mm，高為1mm，具體設(shè)置如圖6－21所示。圖6－21圖6－22然后在上圖中去除平面對數(shù)螺旋線，在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇spiral、Polyline2、Polyline2_1，在菜單欄中點(diǎn)擊3DModeler/Boolean/Subtract。

其Subtract設(shè)置如圖6－23所示。

得到圖形如圖6－24所示。圖6－23圖6－24選擇菜單項(xiàng)Draw/Box(長方體)，其初始點(diǎn)為(-2，-3.2，0)，長寬高dx=4，dy=6.4，dz=1。具體設(shè)置如圖6－25所示。圖6－25材料仍為默認(rèn)的PEC材料。

接下來構(gòu)造天線輸入端口，如圖6－26所示。在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇spiral、Box1，在菜單欄中點(diǎn)擊3DModeler/Boolean/Subtract。

相減后得到的圖形如圖6－27所示。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder(圓柱體)，其底面圓心為(0，0，0)，半徑為60mm，高為-24mm，具體設(shè)置如圖6－28所示。

以相同方法構(gòu)造底面圓心為(0，0，0)，半徑為61mm，高為-25mm的圓柱體，如圖6－29所示。圖6－26圖6－27圖6－28圖6－29并將其名字由Cylinder2改為backcavity。

在操作歷史樹中利用Ctrl鍵選擇backcavity、Cylinder1，在菜單欄中點(diǎn)擊3DModeler/Boolean/Subtract，其相減設(shè)置如圖6－30所示。圖6－30圖6－31（4）繪制空氣盒。

軟件在計(jì)算輻射特性時，是在模擬實(shí)際的自由空間的情形。類似于將天線放入一個矩形微波暗室。一個在暗室中的天線輻射出去的能量理論上不應(yīng)該反射回來。在模型中的空氣盒子就相當(dāng)于暗室，它吸收天線輻射出的能量，同時可以提供計(jì)算遠(yuǎn)場的數(shù)據(jù)?？諝夂凶拥脑O(shè)置一般來說有兩個關(guān)鍵：一是形狀，二是大小。形狀就像微波暗室一樣，要求反射盡可能得低，那么就要求空氣盒子的表面應(yīng)該與模型表面平行，這樣能保證從天線發(fā)出的波盡可能垂直入射到空氣盒子內(nèi)表面，確切地說，是要使大部分波輻射到空氣盒子的內(nèi)表面入射角要小，盡可能少地防止反射的發(fā)生。理論上來說，空氣盒子越大越接近理想自由空間，如果盒子無限大，那么你的模型就處在一個理想自由空間中。但是硬件條件不允許盒子太大，越大計(jì)算量越大。一般要求空氣盒子離開最近的輻射面距離不小于1/4波長。我們所要設(shè)計(jì)的天線中心頻率為2GHz，對應(yīng)波長為150mm，選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder(圓柱體)，其底面圓心為(0，0，-25)，半徑為70mm，高為65mm，故所設(shè)置的空氣盒的尺寸坐標(biāo)如圖6－32所示。圖6－32名稱設(shè)為air_box，材料設(shè)為vacuum。繪制好空氣盒后，如圖6－33所示。圖6－33

3.設(shè)置邊界條件和激勵源

(1)將air_box設(shè)置成輻射邊界條件。

在操作歷史樹中選中air_box，單擊鼠標(biāo)右鍵，進(jìn)入AssignBoundary選項(xiàng)，點(diǎn)擊RaditationBoundary選項(xiàng)。此時HFSS系統(tǒng)提示為此邊界命名，默認(rèn)為Rad1，如圖6－34所示。圖6－34（2）在螺旋平面中心處設(shè)置激勵所在平面。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Box(長方體)，其起點(diǎn)為空缺處的下端點(diǎn)，所建長方體的對角終點(diǎn)為在螺旋曲面挖去長方體后垂直棱的中點(diǎn)，如圖6－35所示。圖6－35圖6－36

(3)在新建Port的上表面處設(shè)置為集總端口，輸入坐標(biāo)如下：

X：-2.0，Y：0.0，Z：0.5

dX：4.0，dY：0.0，dZ：0

設(shè)置過程如圖6－37所示。

其電阻值設(shè)為188.5Ohms，名稱為p1。圖6－37圖6－38圖6－39圖6－40

4.設(shè)置求解條件

在Project工作區(qū)選中Analysis項(xiàng)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇AddSolutionSetup。

這時系統(tǒng)會彈出求解設(shè)置對話框，設(shè)置參數(shù)：求解頻率為1.9174GHz，最大迭代次數(shù)為6，最大誤差為0.02，如圖6－41所示。

選擇菜單項(xiàng)HFSS/AnalysisSetup(分析設(shè)置)，選擇AddSweep...(增加掃頻)，如圖6－42所示，選擇Setup1。圖6－41圖6－42

SweepType選擇Fast，F(xiàn)requencySetup中Type：LinearStep，從1.8GHz到6GHz，StepSize(步長)：0.2GHz,如圖6－43所示。圖6－43將求解的條件設(shè)好后，我們來看看HFSS的前期工作是否完成。在HFSS菜單下，點(diǎn)擊ValidationCheck（或直接點(diǎn)擊圖標(biāo)）。圖6－44

5.平面對數(shù)螺旋天線的HFSS仿真結(jié)果

1）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)圖

創(chuàng)建一個報告：選擇菜單項(xiàng)HFSS/結(jié)果（Result）創(chuàng)建報告（CreateReport）。

在創(chuàng)建報告（CreateReport）窗口中選報告類型（ReportType）為ModalSParameters；顯示類型（DisplayType）為Rectangular，然后點(diǎn)擊OK按鈕。

在繪線（Traces）窗口中，選解析點(diǎn)（Solution）為Setup1：Sweep1；解析域（Domain）為Sweep。

再點(diǎn)擊Y標(biāo)簽，參數(shù)類型（Category）選SParameter；參量（Quantity）選S（Port1，Port1）參量函數(shù)（Function）選dB。

點(diǎn)擊添加繪圖（AddTrace）按鈕，點(diǎn)擊完成（Done）按鈕，S參數(shù)圖如圖6－45所示。圖6－45

2）天線面電流分布

選擇菜單項(xiàng)HFSS/Radiation/Fields/Fields/J/Mag_Jsurf，按圖6－46所示設(shè)置。圖6－46圖6－47

3）天線的增益方向圖

經(jīng)過優(yōu)化后選擇offset=6mm，諧振長度$L=13.5mm，看下天線的增益方向圖。

(1)選擇菜單項(xiàng)HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere。

(2)在跳出窗口中，為了看天線的3D增益方向圖，選擇InfinteSphere標(biāo)簽，設(shè)置如下Phi：（Start：0，Stop：360，StepSize：2）Theta：（Start：0，Stop：180，StepSize：2），如圖6－48所示。圖6－48

(3)選擇菜單項(xiàng)HFSS/Results/CreateFarFieldsReport/3DPolarPlot，在跳出窗口中設(shè)置Solution為Setup1LastAadptive；Geometry為ff_3d，如圖6－49所示。圖6－49圖6－50

(4)選擇菜單項(xiàng)HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere。

(5)在跳出窗口中，為了看天線的2D增益方向圖，選擇InfinteSphere標(biāo)簽，設(shè)置如圖6－51所示。

(6)選擇菜單項(xiàng)HFSS/Results/CreateF