124 Ansoft2004 年用戶通訊 利用利用 ANSOFT 軟件仿真螺旋天線軟件仿真螺旋天線 常林 孫厚軍 呂昕 北京理工大學微波通信實驗室 100081 摘要 本文介紹了 Ansoft HFSS8 0 在單螺旋天線仿真計算中的應用 通過測量已有螺旋天線的尺寸 并計算相關參數 最后通過軟件進行建模仿真 通過給出的仿真結果與實驗結果可以看出 Ansoft HFSS 是一種行之有效的螺旋天線的仿真工具 它在工程預言 理論驗證等研究方面都有很好的實用價值 關鍵詞 Ansoft HFSS 仿真 螺旋天線 1 螺旋天線的結構與幾何特性螺旋天線的結構與幾何特性 螺旋天線是由金屬導線或金屬管繞制成螺旋線 并正確饋電而構成 螺旋天線通常由同軸饋電 同軸線的內導體與螺 旋線的一端相接 外導體與地板相接 若將螺旋線的一圈展開 其各幾何參數的關系如下并附有它的結構示意圖 D 螺旋天線的直徑 C 螺旋天線的周長 C D S 螺距 S tg 螺距角 arctg C S L 一圈的長度 L N 圈數 A 軸長 A NS d 螺旋導線的直徑 22 SC 螺旋天線的幾何結構示意圖 螺旋天線可以以法向模和軸向模兩種模式工作 這取決于電尺寸 D 時發生法向模式 其最大輻射方向垂直于 螺旋天線的軸線 0 25 D 0 4 時發生軸向模 其最大輻射方向沿軸線法向 D 進一步增加 方向圖呈圓錐形 發生法向模式時 由于法向螺旋天線與波長相比很小 假設在其全長電流的幅度和相位均勻 遠場方向圖與圈數無關 因而通過一圈的研究即可得出遠場方向圖 發生軸向模式時 軸向螺旋天線上的電流幾乎是由饋電點向外傳播的純行波 在其末端有很小的發射 因而返回地板 的入射波非常微弱 地板的影響可以忽略 由于電流沿著螺旋線不斷地旋轉 電場矢量也以相同方式旋轉 因而軸向上地 輻射場近似圓極化 螺旋線的周長約為一個波長 一圈相對兩側的電流相位相反 而螺旋線的圈對于相對點的電流又起倒 向作用 因而每圈相對點處的電流實質上同相 導致沿螺旋線軸向遠場相互加強 軸向模螺旋天線的方向圖可通過將其視 為 N 元均勻激勵等間距線陣求得 一圈的單元方向圖近似為一波長環天線的方向圖 2 單螺旋天線的仿真單螺旋天線的仿真 通過利用螺旋測微器和游標卡尺測得的螺旋天線具體數據如下 介質圓柱的直徑為 D 12 26mm 螺旋導線的直徑為 d 1 10mm 從金屬底盤到介質柱頂端的總高度 L 52 45mm 螺旋導線的匝數 N 5 螺距 S 8 513mm 金屬底盤的直徑 2R 80 00mm 饋線導入處圓心與介質圓柱的圓心間的距離為d 21 88mm 又因為利用金屬銅柱進行饋入 所以考慮到阻抗匹配問題并通過計算得出包圍金屬饋電圓柱的介質管的半徑應該是 r 1 84mm Partners In Design Ansoft2004 年用戶通訊 125 由上面的幾何參數 我們在 hfss 中繪制了它的三維幾何模型如下圖所示 單螺旋天線的三維幾何模型 下一步就是根據條件在 HFSS 中設置材料 我們將螺旋線設置為銅 同軸導電的內芯的材料也設置為銅 而底面的反 射板的材料為鋁 而同軸的外層還有螺旋纏繞的圓柱的材料設置為介電常數為 2 1 的介質 注意到這種材料在材料庫中并 沒有 我們可以利用 HFSS 軟件來自定義這種材料 最后將外圍的大圓柱設置為空氣 這一步在 HFSS 中的界面如下 HFSS 中的材料設置頁 第三步就是根據天線的結構在所繪制的三維結構中來定義端口和輻射面 我們將同軸的在底版下底面的部分設置為 port 將包圍著螺旋天線的空氣圓柱的外表面設置為 boundary 見下圖 port 和 boundary 的設置 最后最后便是設置求解的參數 由發生軸向模的條件估算出其中心頻率為5 2GHz 然后設置掃頻的范圍是3 9 6 1GHz 便可以開始求解了 Partners In Design 126 Ansoft2004 年用戶通訊 3 對于仿真結果的分析對于仿真結果的分析 天線的增益方向圖 右上圖分別繪出了直角坐標系下和極坐標下的方向圖 三維方向圖還有幾何模型 由上面的結果可以看出 該天線的方向圖滿足了預先的要求 增益在 上大于 0 最大增益為 11dB 螺旋天線的 軸比也是一個很重要的指標 下圖繪制了軸比與 theta 角的關系圖 可見 該天線的軸比還是很讓人滿意的 50 軸比與 theta 角的關系圖 VSWR 和頻率的關系圖 此外駐波也是天線的一個重要參數 其計算結果如右上圖 可見其在天線掃頻范圍 5 6GHz 內的駐波均小于 2 7 最后我們來看看端口的匹配情況 上面兩副圖直觀的表現了端口阻抗的實部和虛部 基本達到了實部 50 虛部 0 的匹配要求 4 結論結論 通過 Ansoft HFSS 軟件對螺旋天線的仿真 其方向圖 主瓣寬度 阻抗匹配和駐波均達到了比較良好的效果 與實際 實驗測量的數據吻合的很好 這些說明 Ansoft HFSS 軟件的數學模型正確 計算精