螺旋天線的仿真設計微波課設

1、 太原理工大學現(xiàn)代科技學院 課程設計任務書專業(yè)班級學生姓名課程名稱微波技術與天線課程設計設計名稱螺旋天線的仿真設計設計周數(shù)1.5周指導教師設計任務主要設計參數(shù)1 熟悉HFSS仿真平臺的使用2 熟悉圓極化天線的工作原理與設計方法3 在HFSS平臺上完成如下螺旋天線的仿真設計 中心頻率 f=4GHZ， =75mm; 螺旋導體的半徑 d=0.15=11.25mm; 螺旋線導線的半徑 a=0.5mm; 螺距 s=0.25=18.75mm; 圈數(shù) N=3; 軸向長度 l=Ns;4 結(jié)合同組其他同學的設計結(jié)果完成對于該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間關系的探討5 在1.5周內(nèi)完成設計任務設計內(nèi)容設計要求6.25：分

2、組、任務分配、任務理解6.26：查閱參考資料，理論上熟悉所設計的器件的工作原理與特性，完成方案的設計6.276.29：熟悉仿真平臺的使用，完成在平臺上的建模，設置，結(jié)果提取與分析，以及驗收。7.2：同組同學結(jié)果匯總及討論7.37.4：設計說明書的撰寫 在設計過程中，作為設計小組成員，每位同學要具有團隊意識和合作精神，并最終獨立完成自己的設計任務。主要參考資 料劉學觀，微波技術與天線，西安電子科技大學電出版社，2008.顧繼慧，微波技術，科學出版社，2007.李明洋，HFSS應用設計詳解，人民郵電出版社，2010. 指導教師簽名： 日期： 太原理工大學現(xiàn)代科技學院 課程設計裝訂線專業(yè)班級 學號

3、姓名 成績 一、設計題目 螺旋天線的仿真設計 二、設計目的 （1）熟悉Ansoft HFSS軟件的使用。 （2）學會螺旋天線的仿真設計方法。 （3）完成螺旋天線的仿真設計，并查看S參數(shù)以及場分布。 三、實驗原理 螺旋天線（helical antenna）是一種具有螺旋形狀的天線。它由導電性能良好的金屬螺旋線組成，通常用同軸線饋電，同軸線的心線和螺旋線的一端相連接，同軸線的外導體則和接地的金屬網(wǎng)（或板）相連接，該版即為接地板。螺旋天線的輻射方向與螺旋線圓周長有關。當螺旋線的圓周長比一個波長小很多時，輻射最強的方向垂直于螺旋軸；當螺旋線圓周長為一個波長的數(shù)量級時，最強輻射出現(xiàn)在螺旋旋軸方向上。 四

4、、設計要求 設計一個右手圓極化螺旋天線，要求工作頻率為4G，分析其遠區(qū)場輻射特性以及S曲線。 本設計參數(shù)為：螺旋天線的中心頻率 f=4GHz ， =75mm； 裝訂線 螺旋導體的半徑 d=0.15=11.25mm； 螺旋線導線的半徑 a=0.5mm； 螺距 s=0.25=18,75mm； 圈數(shù) N=3； 軸向長度 l=Ns； 五、設計仿真步驟 在HFSS建立的模型中，關鍵是畫出螺旋線模型。畫螺旋線，現(xiàn)說明螺旋線模型的創(chuàng)建。 1、建立新的工程 運行HFSS，點擊菜單欄中的Project>Insert Hfss Dessign，建立一個新的工程。 2、設置求解類型 （1）在菜單欄中點擊HFS

5、S>Solution Type。 （2）在彈出的Solution Type窗口中 （a）選擇Driven Modal 。 （b）點擊OK按鈕。 3、設置模型單位 將創(chuàng)建模型中的單位設置為毫米。 （1）在菜單欄中點擊3D Modeler>Units。 （2）設置模型單位： （a）在設置單位窗口中選擇：mm。 （b）點擊OK按鈕。 4、設置模型的默認材料 在工具欄中設置模型的下拉菜單中點擊Select，在設置材料窗口中選擇copper（銅）材料，點擊OK按鈕（確定）確認。 5、創(chuàng)建螺旋天線模型 （1）創(chuàng)建螺旋線Helix。 在菜單中點擊Draw>Circle,輸入圓的中心坐標。X

6、:11.25 Y:0 Z:0 ,按回車鍵結(jié)束。輸入圓的半徑dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Porperties）窗口中將Axis改為Y。點擊確認。在歷史操作樹中選中該circle。在菜單鍵點擊Draw>Helix，在右下角的輸入欄中 裝訂線 輸入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回車鍵結(jié)束輸入；在右下角的輸入欄中輸入dX:0 dY:0 dZ;50；按回車鍵；在彈出的Helix窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:18.75(mm) Tuns:3; Radius change per Turn:0點擊OK。在特性窗口中選擇Att

7、ribute標簽，將名字改為Helix。 （2）建立螺旋天線與同軸線相連的連接桿ring。 在菜單中點擊Draw>Cylider,創(chuàng)建圓柱模型。輸入坐標為X:11.25，Y:0 Z;0 ，按回車鍵結(jié)束輸入。輸入半徑dX:0.5 dY:0 dZ:0 ，按回車鍵結(jié)束輸入，輸入圓柱長度dX;0 dY:0 dZ:-3,按回車鍵結(jié)束輸入。在特性窗口中選擇Attribute選項卡，將名字改為ring，點擊確定。 （3）創(chuàng)建球體Sphere1。 為了把Helix和ring連接起來，創(chuàng)建一個球體Sphere1，點擊Draw>Sphere,輸入球心坐標X:22.5 Y:0 Z:0；按回車鍵結(jié)束輸入。

8、輸入球體半徑，dX:0.5 dY:0 dZ:0；在特性（Property）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為Sphere1。 （4）將Helix、ring和Sphere1結(jié)合起來。在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇ring，Helix和Sphere。在菜單欄中點擊3Dmodeler>Boolean>Unite。點擊OK結(jié)束。形成的模型如下圖2所示。 圖2、螺旋線模型6、建立同軸線饋線。 （1）在菜單欄中點擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標欄中輸入圓柱中心點的坐標：X： 裝訂線 11

9、.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標欄中輸入圓柱半徑：dX：4，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為ringout。 （2）在菜單欄中點擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標欄中輸入圓柱中心點的坐標：X：11.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標欄中輸入圓柱半徑：dX：3.95，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Pr

10、operty）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為ringin。 （3）在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇ringout，ringin。在菜單欄中點擊3Dmodeler>Boolean>Subtract，在Subtract窗口中作如下設置：Blank Parts:ringout,Tool Parts:ringin,Clone tool objects before subtract復選框不選。點擊OK結(jié)束設置。（4）創(chuàng)建內(nèi)導體ringcenter。在菜單欄中點擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模

11、型。在坐標欄中輸入圓柱中心點的坐標：X：11.25，Y：0，Z：-3按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標欄中輸入圓柱半徑：dX：0.5，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：-7按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為ringcenter。 （5）在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中利用Ctrl鍵選擇Helix和ringcenter。在菜單欄中點擊3Dmodeler>Boolean>Unite。點擊OK結(jié)束。 7、建立接地板（1）在菜單欄中點

12、擊 DrawCircle，創(chuàng)建圓模型。在坐標輸入欄中輸入圓中心坐標：X：11.25，Y：0，Z：-3 按回車鍵結(jié)束輸入。在坐輸入欄中輸入圓的半徑：dx：37.5,dy:0,dz:0 按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（property）窗口中選擇 attribute 標簽，將圓柱的名字修改為 groundplane.2在菜單欄中點擊 DrawCircle，創(chuàng)建圓模型。在坐標輸入欄中輸入圓中心坐標：X：11.25 Y：0 Z：_3 按回車鍵結(jié)束輸入。 在坐輸入欄中輸入圓的半徑： dX:1,dy:0,dz:0 按回車鍵結(jié)束輸入。（3）在菜單欄中點擊 editselectby name，在彈出的窗口中利用 c

13、trl 鍵選擇groundplanecircle，在菜單欄中點擊 3DmodelerBooleansbstract，在 substract 窗口中 作 如 下 設 置 ： blankparts:groundplanetoolpart:circleclone tool objects beforesubstract 復選框不選。點擊 OK 結(jié)束設置。8、創(chuàng)建輻射邊界 （1）設置默認材料。 在工具欄中設置模型的默認材料為真空（vacuun）。 （2）創(chuàng)建Air。在菜單欄中點擊Draw>Cylider，創(chuàng)建圓柱模型。在坐標欄中輸入圓柱中心點的坐標：X：11.25，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束

14、輸入。在坐標欄中輸入圓柱半徑：dX：50，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標輸入欄中輸入圓柱的長度：dX：0，dY：0，dZ：150按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為Air，按確定鍵結(jié)束。在3D模型窗口中以合適大小顯示（可用Ctrl+D操作）。 （3）設置輻射邊界。在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中選擇Air，點擊OK按鈕。在菜單欄中點擊HFSS>Boundaries>Radiation。在輻射邊界窗口中，將輻射邊界命名為Rad1，點擊OK結(jié)束。 裝訂線 9、創(chuàng)建波端

15、口 同軸線采用波端口激勵，首先要創(chuàng)建波端口面，并將其設置為波端口。 （1）創(chuàng)建端口圓面模型，在菜單欄中點擊Draw>Circle。在坐標欄中輸入圓心點的坐標：X：11.25，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標欄中輸入圓半徑：dX：3.95，dY：0，dZ：0按回車鍵結(jié)束輸入。在特性（Property）窗口中選擇Attribute標簽，將該圓柱的名字改為p1。（2）設置波端口。在菜單欄中點擊Edit>Select>By Name，在彈出的窗口中選擇p1，在菜單欄中點擊HFSS>Exciations>Assign>Lumped Port。在Lumped

16、Port窗口中General標簽中，將該端口命名為wave。在Modest標簽中設置積分線，在Integration Line中點擊None，選擇New Line，在坐標欄中輸入X：15.2，Y：0，Z：-10按回車鍵結(jié)束輸入。在坐標欄中輸入圓半徑：dX：-3.45，dY：0，dZ：0。點擊Next直至結(jié)束。 10、輻射場角度設置 在菜單欄中點擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere,在輻射遠場對話窗中做一下設置：Name：ff-2d；Phi：（Start：0，Stop:180,Step Size：90）；T

17、heta：（Start：0，Stop:360,Step Size：10）。點擊OK按鈕。 11、求解設置 （1）設置求解頻率。在菜單欄中點擊HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。在求解設置窗口中做一下設置：Solution Frequency：4GHZ；Maximum Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass：0.02；點擊OK按鈕。（2）設置掃頻。在菜單欄中點擊HFSS>Analysis Setup>Add Sweep。選擇Setup1，點擊OK按鈕。在掃頻窗口中做一下設置：Swe

18、ep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start：3GHZ，Stop：5GHZ；Count：201。將Save Field復選框選中，點擊OK按鈕確認，這一步操作為了將掃頻中每一頻點的場都保存下來。 12、確認設計 由主菜單選HFSS/Validation Check對設計進行確認，如圖3。 圖3 確認設計如圖3所示均打勾即可，點Close結(jié)束。 13、保存工程 在菜單欄中點擊File>Save As,在彈出的窗口中將工程命名為hfss-luoxuan，并選擇保存路徑。14、求解該工程 在菜單欄點擊HFSS>Analyze?？?/p>

19、能會花幾個小時，耐心等待。 15、后處理操作 （1）S參數(shù)（反射系數(shù)）。 繪制該問題的反射系數(shù)曲線，該問題為單端口問題，因此反射系數(shù)是S11。點擊菜單欄HSFF>Result>Creat Report。在創(chuàng)建報告窗口中做以下選擇：Report Type：Modal S Parameters；Display Type：Rectangle點擊OK按鈕。在Trace窗口中做以下設置：Solution：Setup1：Sweep1；Domain：Sweep點擊Y標簽，選擇：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后點擊Add T

20、race按鈕。點擊Done按鈕完成操作，繪制出反射系數(shù)曲線。 （2）2D輻射遠場方向圖。 在菜單欄點擊HSFF>Result>Creat Report。在創(chuàng)建報告窗口中做以下選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。點擊OK按鈕。在Trace窗口中做以下設置：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff-2d。在Sweep標簽中，在Name這一項點擊第一個變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點擊Mag標簽，選擇：Category：Gain；Quantity：Gain Total；Function： 裝訂線 dB，然后點擊Add Trace按鈕。點擊Done按鈕完成操作，繪制出方向圖。 15、保存并推出HFSS 六、仿真結(jié)果 1.反射系數(shù)S11曲線s11越小，反射波越小，也就是天線輻射出去