利用HFSS設(shè)計(jì)平面等角螺旋天線概要

1、擱電電幣板利用HFSS設(shè)計(jì)平面等角螺旋天線杜起飛北京理工大學(xué)電子工程系100081摘要：本文介紹了一種雙臂平面等角螺旋天線的設(shè)計(jì)過(guò)程，利用ANSOFT HFSS對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和仿真，工作頻率為0.4GHz3GHz,電壓駐波比VSWRV2.0，增益 Gain>5.0dB。關(guān)鍵詞：HFSS、等角螺旋天線、寬帶匹配1. 引言天線的增益、輸入阻抗、方向圖等電特性參數(shù)在一個(gè)較寬的頻段內(nèi)保持不變或變 化較小的天線稱為寬頻帶天線。一般情況下，天線性能參數(shù)是隨頻率變化的。有 一類天線，它們的方向圖和阻抗在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)，這就是所謂 的非頻變天線。本文所研究的是平面等角螺旋天線，它有很寬

2、的工作頻帶，具有很好的應(yīng)用前 景，同時(shí)也是其它等角螺旋天線研究的基礎(chǔ)。2. 利用HFSS設(shè)計(jì)平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線在 ANSOFT HFSS中的模型如圖1所示。它主要由平面螺旋輻 射器、饋電電路板、普通反射腔和異形反射腔四部分組成。2.1平面等角螺旋天線圖1平面等角螺旋天線在HFSS中的模型圖2自補(bǔ)形平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線如圖2所示，金屬臂的四條邊緣均為平面等角螺旋線。邊緣1的方程為邊緣1旋轉(zhuǎn)角Sp仁p Oea邊緣2相對(duì)于a( © - S ) p = p e2o其方程為。天線另一臂的邊緣應(yīng)使結(jié)構(gòu)對(duì)稱，即一臂旋轉(zhuǎn)半圈將于另一臂重合，因而有P 3=p Oea(

3、69; - n)和 p 4= p Oea( © - S - n)。圖中的結(jié)構(gòu)是自補(bǔ)形，因而S =n/2自補(bǔ)形平面等角螺旋天線兩臂的四條邊緣曲線為：? p 1= p Oea ©? n p = p ea( ©2-21) 0? a( © -?冗 p 3= p Oe? n a( © - n?)p 4= p Oe-74 - An soft2OO4in對(duì)于自補(bǔ)形結(jié)構(gòu)，方向圖的對(duì)稱性最好。由于平面等角螺旋天線的表面邊緣僅由 角度描述，因而滿足非頻變天線對(duì)形狀的所有要求。2.2饋電電路板由于平面等角螺旋天線是平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其饋電系統(tǒng)也應(yīng)采用平衡饋電方式。同 軸

4、線是傳統(tǒng)的超寬帶饋電線，具有良好的寬頻帶特性，但其饋電方式為非平衡饋 電，所以需要增加相應(yīng)的非平衡饋電到平衡饋電轉(zhuǎn)換電路即巴倫的設(shè)計(jì)。最常用的匹配方法為指數(shù)漸變線匹配。與雙曲線漸變線、拋物漸變線、貝塞爾漸 變線及切比雪夫漸變線相比較，當(dāng)1/入0.時(shí)，指數(shù)線的反射系數(shù)是最小的，而 且頻帶極寬1。因此，本文選用指數(shù)漸變的微帶線到平行雙線作為平面等角螺旋 天線的饋電電路。如圖3所示，巴倫由不平衡的微帶結(jié)構(gòu)逐漸過(guò)渡到平衡饋電的 平行雙線結(jié)構(gòu)，其中接地板和微帶線均采用指數(shù)漸變方式，在工作頻帶內(nèi)由輸入 端的50?變?yōu)檩敵龆说?40?指數(shù)線阻抗變換器是指?jìng)鬏敺较虬粗笖?shù)規(guī)律變化的傳輸線，即23。Z0(z)=Z

5、0(0)eaz假定漸變線長(zhǎng)為L(zhǎng),變阻比為R,即圖3指數(shù)漸變的微帶線-雙線結(jié)構(gòu)示意圖Z0(L)=RZ0(0) (3)則 a=1l nRL (4)當(dāng)L選定后，隨頻率增高，波長(zhǎng)愈短，反射系數(shù)總的趨勢(shì)是越來(lái)越小。反射系數(shù) 模的最大值為r (0)=入 lnR4n L (5)r (0)maX勺條件下，可由上式確定指數(shù)線的長(zhǎng)度因此，當(dāng)阻抗變換比R為已知, 在滿足反射系數(shù)模不超過(guò)某一定值L=入 lnR4 nr 0max (6)2.3反射腔理論和實(shí)踐證明，普通反射腔的側(cè)壁對(duì)天線軸比和增益的影響較大，因此在設(shè)計(jì) 時(shí)，在允許的尺寸范圍內(nèi)，應(yīng)使腔體直徑盡可能大。對(duì)于普通的平面等角螺旋天 線，多在腔體內(nèi)添入微波吸收材料

6、，這樣做可顯著提高天線的駐波比、帶寬和軸 比特性，但是，天線的效率卻大大下降，因此決定不加微波吸收材料。但這會(huì)使 天線方向圖帶寬變窄。由于天線的能量主要集中在主輻射區(qū)，當(dāng)頻率改變時(shí)，它 的主輻射區(qū)直徑也隨之改變。如果能夠使反射波在任意頻率點(diǎn)，它到達(dá)平面螺旋 輻射器表面所經(jīng)過(guò)的路徑的長(zhǎng)度都等于該頻率波長(zhǎng)的二分之一，那么該天線仍然 滿足寬頻帶特性思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示天線結(jié)構(gòu)中的異形反射腔。異形反射腔體設(shè)計(jì)一般滿足以下幾點(diǎn)：頂端直徑d處的周長(zhǎng)等于其所對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的主輻射區(qū)的周長(zhǎng)。在這里，取為最 高工作頻率點(diǎn)的波長(zhǎng)；頂端直徑d處到平面螺旋輻射器表面的距離 h等于其所對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)波長(zhǎng)的四分 之一。在這

7、里，取為最高工作頻率點(diǎn)波長(zhǎng)的四分之一；底端直徑D處的周長(zhǎng)的取值同，在這里取為最低工作頻率點(diǎn)的波長(zhǎng)； 底端到平面螺旋輻射器表面的距離的取值 H同，在這里取為最低工作頻率 點(diǎn)波長(zhǎng)的四分之一。4。按照這種口口日 Ian 3004 用戶鼻旣” 73 *fl11 JunAntioft CfiffhiiraiiMrrFkrt 3申 gcwnPh|-=JZd*ft, FFcAt 附哦3. 仿真結(jié)果利用ANSOFT HFSS在0.4GHz3GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)天線模型進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿 真。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，增益Gain>5dB。其中f=1.5GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖4所示。最大增益約為7dB，半功 率波瓣寬

8、度為80°天線的電壓駐波比曲線如圖5所示。4. 結(jié)論圖4天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖f=1.5GHz利用ANSOFT HFSS軟件可以很方便的對(duì)天線進(jìn)行建模仿真。同時(shí)HFSS是一套具有高度的精確性和可靠性的微波 CAD軟件。借助于它，可以縮短我們的設(shè)計(jì) 時(shí)間，提高工作效率。圖5電壓駐波比曲線參考文獻(xiàn)：1 顧瑞龍,沈民誼.微波技術(shù)與天線M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，19802 Hofer D, Tripp V. K. A low-profile broadba nd bal un feed J. Antennas and Propagation Society International Symposium,