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基于Ansoft HFSS 的四臂螺旋天線設(shè)計(jì)

文章來源: ANSYS 2011中國用戶大會(huì)優(yōu)秀論文    錄入: mweda.com   

    2.1 功分饋電網(wǎng)絡(luò)的建模

    功分饋電網(wǎng)絡(luò)采用的是介電常數(shù)4.4，厚度0.8mm 的介質(zhì)基片，一面是金屬底板，另一面為微帶線如下圖2 所示。饋電端采用Lump port 方式饋電，使上下兩個(gè)功分器的輸入端形成雙面帶線從而產(chǎn)生幅度相等相位相差 180 度的信號(hào)。上下每一個(gè)功分器的輸出端長度兩兩相差四分之一個(gè)波長，產(chǎn)生90 度的相位差，從而使得四個(gè)輸出端口幅度相等，相位 兩兩相差90 度。位于下方的功分器的兩個(gè)輸出端因?yàn)橐c螺旋天線的兩個(gè)輻射臂相連，需 要在介質(zhì)板上打兩個(gè)過孔進(jìn)行連接。

     在 HFSS 中建模的具體建模操作如下

    介質(zhì)基片：點(diǎn)擊 Draw>Cylinder 按照實(shí)際尺寸畫出介質(zhì)基片形狀；設(shè)置為介電常數(shù)為4.4 的RF4 材料。

    地板：點(diǎn)擊 Draw>Circle 畫出地板；選中地板后點(diǎn)擊Assign Boundary >Perfect E 設(shè)置為金屬面

    微帶線：點(diǎn)擊 Draw>Rectangle 畫出微帶線；點(diǎn)擊 Draw>line 畫出微帶線拐角處的三角形切角；選中以上二者點(diǎn)擊Subtract，切出拐角切角。

    饋電端口：點(diǎn)擊 Draw>Rectangle 畫出一個(gè)矩形； 點(diǎn)擊Assign Excitation>Lump port 畫出一條從下微帶到上微帶的積分線

    過孔：在需要打孔位置點(diǎn)擊 Draw> Cylinder 畫出一個(gè)圓柱體；把介質(zhì)基板跟圓柱體均選中點(diǎn)擊 Edit > Boolean > Subtract 形成過孔


圖 2 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型


    2.2 螺旋輻射體的建模

    螺旋輻射體的建模有一些技巧，在實(shí)際中，螺旋體常常是用鐵絲或者銅絲繞制成的，所以為立體結(jié)構(gòu)，但是為了方便仿真以及加快運(yùn)算的速度，在HFSS 中需要用平面結(jié)構(gòu)來等效實(shí)際中的螺旋線。在HFSS 中實(shí)際建模操作如下：
    1. 在螺旋線沿圓周起點(diǎn)的位置上點(diǎn)擊 Draw > line 畫出垂直于 XY 平面的一條直線 
    2. 選中該直線并點(diǎn)擊 Draw > Helix 畫出一條螺旋線 
    3. 選中螺旋線并點(diǎn)擊 Edit > Duplicate > Around axis 沿著圓周復(fù)制出 4 條螺旋線 
    4. 根據(jù)螺旋體的高度點(diǎn)擊 Draw > Cylinder 畫出一個(gè)半徑略大于螺旋線的圓柱體并一起 選中點(diǎn)擊 Edit > Boolean > intersect 切去螺旋線上下多余的部分 
    5. 在螺旋線頂端點(diǎn)擊 Draw > arc > 3 point arc 畫出一個(gè)圓形線選中并點(diǎn)擊 Draw > sweep  > around vector 畫出頂端短路環(huán) 
    6.把各部分螺旋線選中并點(diǎn)擊 unit 連接并點(diǎn)擊 Assign Boundary > Perfect E 設(shè)置成金屬面

    2.3 螺旋體獨(dú)立建模仿真

    不考慮功分饋電網(wǎng)絡(luò)，可以對螺旋體進(jìn)行獨(dú)立仿真，這其中最重要的一點(diǎn)就是模擬螺旋線四個(gè)輸入端口的饋電。在HFSS 中可以用四個(gè)同軸線來模擬螺旋天線的四個(gè)輸入端口，激勵(lì)設(shè)置為wave port，如下圖3 所示，并在 HFSS > Fields > Edit sources 里面設(shè)置四個(gè)激勵(lì)端的幅度跟相位，模擬四臂螺旋天線輸入端等幅相位兩兩相差90 度的信號(hào)。


圖3 同軸線模擬螺旋輸入端口


    3 仿真掃參及結(jié)果提取

    3.1 仿真設(shè)置及參數(shù)掃描

    建模完成后點(diǎn)擊Draw > Cylinder選中后點(diǎn)擊Assign Boundary > Radiation添加輻射邊界air box，輻射邊界的大小原則上為距離天線四分之一波長范圍。 點(diǎn)擊Analysis > setup 設(shè)置天線中心頻率以及收斂精度，點(diǎn)擊 sweep 設(shè)置掃頻范圍，完成設(shè)置過程。如需掃參，點(diǎn)擊 Optimetrics > add > parametric 設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行掃參操作。

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