HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 38

124 Ansoft2004 年用户通讯 利用利用 ANSOFT 软件仿真螺旋天线软件仿真螺旋天线 常林 孙厚军 吕昕 北京理工大学微波通信实验室 100081 摘要 本文介绍了 Ansoft HFSS8 0 在单螺旋天线仿真计算中的应用 通过测量已有螺旋天线的尺寸 并计算相关参数 最后通过软件进行建模仿真 通过给出的仿真结果与实验结果可以看出 Ansoft HFSS 是一种行之有效的螺旋天线的仿真工具 它在工程预言 理论验证等研究方面都有很好的实用价值 关键词 Ansoft HFSS 仿真 螺旋天线 1 螺旋天线的结构与几何特性螺旋天线的结构与几何特性 螺旋天线是由金属导线或金属管绕制成螺旋线 并正确馈电而构成 螺旋天线通常由同轴馈电 同轴线的内导体与螺 旋线的一端相接 外导体与地板相接 若将螺旋线的一圈展开 其各几何参数的关系如下并附有它的结构示意图 D 螺旋天线的直径 C 螺旋天线的周长 C D S 螺距 S tg 螺距角 arctg C S L 一圈的长度 L N 圈数 A 轴长 A NS d 螺旋导线的直径 22 SC 螺旋天线的几何结构示意图 螺旋天线可以以法向模和轴向模两种模式工作 这取决于电尺寸 D 时发生法向模式 其最大辐射方向垂直于 螺旋天线的轴线 0 25 D 0 4 时发生轴向模 其最大辐射方向沿轴线法向 D 进一步增加 方向图呈圆锥形 发生法向模式时 由于法向螺旋天线与波长相比很小 假设在其全长电流的幅度和相位均匀 远场方向图与圈数无关 因而通过一圈的研究即可得出远场方向图 发生轴向模式时 轴向螺旋天线上的电流几乎是由馈电点向外传播的纯行波 在其末端有很小的发射 因而返回地板 的入射波非常微弱 地板的影响可以忽略 由于电流沿着螺旋线不断地旋转 电场矢量也以相同方式旋转 因而轴向上地 辐射场近似圆极化 螺旋线的周长约为一个波长 一圈相对两侧的电流相位相反 而螺旋线的圈对于相对点的电流又起倒 向作用 因而每圈相对点处的电流实质上同相 导致沿螺旋线轴向远场相互加强 轴向模螺旋天线的方向图可通过将其视 为 N 元均匀激励等间距线阵求得 一圈的单元方向图近似为一波长环天线的方向图 2 单螺旋天线的仿真单螺旋天线的仿真 通过利用螺旋测微器和游标卡尺测得的螺旋天线具体数据如下 介质圆柱的直径为 D 12 26mm 螺旋导线的直径为 d 1 10mm 从金属底盘到介质柱顶端的总高度 L 52 45mm 螺旋导线的匝数 N 5 螺距 S 8 513mm 金属底盘的直径 2R 80 00mm 馈线导入处圆心与介质圆柱的圆心间的距离为d 21 88mm 又因为利用金属铜柱进行馈入 所以考虑到阻抗匹配问题并通过计算得出包围金属馈电圆柱的介质管的半径应该是 r 1 84mm Partners In Design Ansoft2004 年用户通讯 125 由上面的几何参数 我们在 hfss 中绘制了它的三维几何模型如下图所示 单螺旋天线的三维几何模型 下一步就是根据条件在 HFSS 中设置材料 我们将螺旋线设置为铜 同轴导电的内芯的材料也设置为铜 而底面的反 射板的材料为铝 而同轴的外层还有螺旋缠绕的圆柱的材料设置为介电常数为 2 1 的介质 注意到这种材料在材料库中并 没有 我们可以利用 HFSS 软件来自定义这种材料 最后将外围的大圆柱设置为空气 这一步在 HFSS 中的界面如下 HFSS 中的材料设置页 第三步就是根据天线的结构在所绘制的三维结构中来定义端口和辐射面 我们将同轴的在底版下底面的部分设置为 port 将包围着螺旋天线的空气圆柱的外表面设置为 boundary 见下图 port 和 boundary 的设置 最后最后便是设置求解的参数 由发生轴向模的条件估算出其中心频率为5 2GHz 然后设置扫频的范围是3 9 6 1GHz 便可以开始求解了 Partners In Design 126 Ansoft2004 年用户通讯 3 对于仿真结果的分析对于仿真结果的分析 天线的增益方向图 右上图分别绘出了直角坐标系下和极坐标下的方向图 三维方向图还有几何模型 由上面的结果可以看出 该天线的方向图满足了预先的要求 增益在 上大于 0 最大增益为 11dB 螺旋天线的 轴比也是一个很重要的指标 下图绘制了轴比与 theta 角的关系图 可见 该天线的轴比还是很让人满意的 50 轴比与 theta 角的关系图 VSWR 和频率的关系图 此外驻波也是天线的一个重要参数 其计算结果如右上图 可见其在天线扫频范围 5 6GHz 内的驻波均小于 2 7 最后我们来看看端口的匹配情况 上面两副图直观的表现了端口阻抗的实部和虚部 基本达到了实部 50 虚部 0 的匹配要求 4 结论结论 通过 Ansoft HFSS 软件对螺旋天线的仿真 其方向图 主瓣宽度 阻抗匹配和驻波均达到了比较良好的效果 与实际 实验测量的数据吻合的很好 这些说明 Ansoft HFSS 软件的数学模型正确 计算精