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格竺村庾
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1 基于 Ansoft HFSS 的四臂螺旋天线设计蔺炜褚庆昕华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所, 邮编 [ 摘要 ] Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件, 可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场, 可直接得到特征阻抗传播常数 S 参数及电磁场辐射场天线方向图等结果该软件广泛应用于无线和有线通信计算机卫星雷达半导体和微波集成电路航空航天等领域, 是研究及设计人员的首选随着我国卫星导航定位需求的增加, 研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义其中, 四臂螺旋天线可以获得性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性, 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用本文介绍了基于 Ansoft HFSS 软件的圆极化四臂螺旋天线的建模, 仿真, 结果提取等应用给出了四臂螺旋天线详细的仿真步骤并介绍了该类天线在建模中的一些技巧, 为 Ansoft HFSS 软件的初学者以及天线设计研究人员提供实例参考 [ 关键词 ] Ansoft HFSS, 电磁场仿真, 四臂螺旋天线 Quadrifilar Helix Antenna Design Based on Ansoft HFSS Wei Lin and Qing-xin Chu School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology Guangzhou, Guangdong, China, [ Abstract ] Ansoft HFSS is the world's first commercial electromagnetic field simulation software of three-dimensional structure which can analyze any three-dimensional passive high-frequency electromagnetic field structure. Results such as characteristic impedance, propagation constant, S-parameters and electromagnetic fields, radiation antenna pattern can be obtained directly, etc. The software is widely used in wireless and wired communications, computers, satellites, radar, and microwave integrated circuit semiconductor, aerospace and other fields, and it is the first choice of study and design. With China's increasing demand for satellite navigation and positioning, research work of circular polarized antenna in the Beidou satellite system has important significance. Among them, quadrifilar helix antenna with excellent performance can emit circularly polarized hemispheric beams and has compact, good environmental adaptability and a wide range of applications. This article describes the modeling and simulation procedure of circular polarization quadrifilar helix antenna based on the Ansoft HFSS software, and the simulation results are showed. Moreover, some tips for antenna design are given for beginning users of Ansoft HFSS software and antenna design researchers to refer to. [ Keyword ] Ansoft HFSS, electromagnetic field simulation, quadrifilar helix antenna

2 1 前言 Ansoft 公司推出的三维电磁仿真软件 HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件, 也是业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准 HFSS 提供了一简洁直观的用户设计界面精确自适应的场解器拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器, 能计算任意形状三维无源结构的 S 参数和全波电磁场 HFSS 软件拥有强大的天线设计功能, 它可以计算天线参量, 如增益方向性远场方向图剖面远场 3D 图和 3dB 带宽 ; 绘制极化特性, 包括球形场分量圆极化场分量 Ludwig 第三定义场分量和轴比圆极化四臂螺旋天线在近年来得到了广泛的应用, 随着全球卫星定位系统 GPS L1 ( MHz) L2( MHz) 和 L5( MHz) 频段逐渐开放, 我国的北斗卫星定位系统 (CNSS) 不断成熟随着我国卫星导航定位需求的增加, 研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义其中, 四臂螺旋天线可以获得性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性, 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用圆极化四臂螺旋天线不同于其他平面结构天线, 其天线辐射臂为螺旋结构, 在空间上呈三维模型 Ansoft HFSS 软件以其强大的三维建模, 优化运算能力, 是仿真四臂螺旋天线的首选本文从四臂螺旋天线的建模, 仿真, 参数设置, 仿真结果提取等几个方面介绍 Ansoft HFSS 在天线设计中的使用方法, 为初学者以及相关设计人员提供参考借鉴 2 四臂螺旋天线建模天线在 HFSS 中的整体模型如下图 1 所示, 模型中的天线由两个部分组成 : 功分相移馈电网络以及螺旋天线辐射体天线的工作原理如下 : 当给四臂螺旋天线的四个辐射臂馈以等振幅, 相位两两相差 90 度的信号时, 天线能够辐射圆极化波, 当螺旋臂的长度为四分之一波长的偶数倍时, 天线顶端短路如下图所示, 若为奇数倍, 则顶端开路在本示例中, 螺旋线的长度为二分之一波长在螺旋体下面的圆盘为功分馈电网络, 功分器由两个背靠背的 Wilkinson 功分器组成, 每个功分器的两个输出端相位相差 90 度, 馈电端采用双面带线为上下两个功分器分别馈以等副相位相差 180 度的信号当两个相同的功分器背靠背放置时, 刚好在相邻四分之一圆周的位置上形成 4 个输出端, 产生 4 路幅度相等, 相位两两相差 90 度的信号正好给螺旋天线馈电, 产生圆极化辐射

3 图 1 四臂螺旋天线在 HFSS 中的仿真模型 2.1 功分馈电网络的建模 : 功分馈电网络采用的是介电常数 4.4, 厚度 0.8mm 的介质基片, 一面是金属底板, 另一面为微带线如下图 2 所示馈电端采用 Lump port 方式馈电, 使上下两个功分器的输入端形成双面带线从而产生幅度相等相位相差 180 度的信号上下每一个功分器的输出端长度两两相差四分之一个波长, 产生 90 度的相位差, 从而使得四个输出端口幅度相等, 相位两两相差 90 度位于下方的功分器的两个输出端因为要与螺旋天线的两个辐射臂相连, 需要在介质板上打两个过孔进行连接在 HFSS 中建模的具体建模操作如下介质基片 :1. 点击 Draw Cylinder 按照实际尺寸画出介质基片形状 2. 设置为介电常数为 4.4 的 RF4 材料地板 :1. 点击 Draw Circle 画出地板 2. 选中地板后点击 Assign Boundary Perfect E 设置为金属面微带线 :1. 点击 Draw Rectangle 画出微带线 2. 点击 Draw line 画出微带线拐角处的三角形切角 2. 选中以上二者点击 Subtract, 切出拐角切角馈电端口 :1. 点击 Draw Rectangle 画出一个矩形 2. 点击 Assign Excitation Lump port 画出一条从下微带到上微带的积分线过孔 :1. 在需要打孔位置点击 Draw Cylinder 画出一个圆柱体 2. 把介质基板跟圆柱体均选中点击 Edit Boolean Subtract 形成过孔

根据螺旋体的高度点击 Draw Cylinder 画出一个半径略大于螺旋线的圆柱体并一起选中点击 Edit Boolean intersect 切去螺旋线上下多余的部分 5. 在螺旋线顶端点击 Draw arc 3 point arc 画出一个圆形线选中并点击 Draw sweep around vector 画出顶端短路环 6.

4 图 2 馈电网络仿真模型 2.2 螺旋辐射体的建模螺旋辐射体的建模有一些技巧, 在实际中, 螺旋体常常是用铁丝或者铜丝绕制成的, 所以为立体结构, 但是为了方便仿真以及加快运算的速度, 在 HFSS 中需要用平面结构来等效实际中的螺旋线在 HFSS 中实际建模操作如下 : 1. 在螺旋线沿圆周起点的位置上点击 Draw line 画出垂直于 XY 平面的一条直线 2. 选中该直线并点击 Draw Helix 画出一条螺旋线 3. 选中螺旋线并点击 Edit Duplicate Around axis 沿着圆周复制出 4 条螺旋线 4. 根据螺旋体的高度点击 Draw Cylinder 画出一个半径略大于螺旋线的圆柱体并一起选中点击 Edit Boolean intersect 切去螺旋线上下多余的部分 5. 在螺旋线顶端点击 Draw arc 3 point arc 画出一个圆形线选中并点击 Draw sweep around vector 画出顶端短路环 6. 把各部分螺旋线选中并点击 unit 连接并点击 Assign Boundary Perfect E 设置成金属面 2.3 螺旋体独立建模仿真不考虑功分馈电网络, 可以对螺旋体进行独立仿真, 这其中最重要的一点就是模拟螺旋线四个输入端口的馈电在 HFSS 中可以用四个同轴线来模拟螺旋天线的四个输入端口, 激励设置为 wave port, 如下图 3 所示, 并在 HFSS Fields Edit sources 里面设置四个激励端的幅度跟相位, 模拟四臂螺旋天线输入端等幅相位两两相差 90 度的信号

5 图 3 同轴线模拟螺旋输入端口 3 仿真扫参及结果提取 3.1 仿真设置及参数扫描建模完成后点击 Draw Cylinder 选中后点击 Assign Boundary Radiation 添加辐射边界 air box, 辐射边界的大小原则上为距离天线四分之一波长范围点击 Analysis setup 设置天线中心频率以及收敛精度, 点击 sweep 设置扫频范围, 完成设置过程如需扫参, 点击 Optimetrics add parametric 设置参数, 进行扫参操作 3.2 仿真结果提取仿真完成后, 提取仿真结果如下 : 天线回波损耗曲线 : 点击 Result Create Model Solution Data Report Rectangular report 在 Catalog 中选 S parameter 设置生成结果如下图

6 Ansoft LLC 0.00 S11 Final 1.6 with covery reserved Curve Inf o db(s(lumpport2,lumpport2)) Setup1 : Sw eep1 ANSOFT db(s(lumpport2,lumpport2)) Freq [GHz] MX1: 图 4 天线回波损耗图 MX2: 天线增益方向图 : 点击 Result Create Far Fields Report Rectangular plot 在 Catalog 中选 Gain 设置生成结果如下图 : Ansoft LLC XY Plot Final 1.6 with covery reserved Curve Inf o ANSOFT db(gainlhcp) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' db(gainlhcp) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='90deg' db(gainlhcp) Theta [deg] MX1: 图 5 天线仿真增益图也可点击 Result Create Far Fields Report 3D polar plot 生成三维增益方向图

图 6 天线三维增益方向图 Ansoft LLC 50.00 天线轴比曲线 : 点击 Result Create Far Fields Report Rectangular plot 在 Catalog 中选择 Axial Ratio, 设置生成结果如下图 : XY Plot 12 Final 1.

7 图 6 天线三维增益方向图 Ansoft LLC 天线轴比曲线 : 点击 Result Create Far Fields Report Rectangular plot 在 Catalog 中选择 Axial Ratio, 设置生成结果如下图 : XY Plot 12 Final 1.6 with covery reserved Curve Inf o db(axialratiovalue) Setup1 : LastAdaptive Freq='0.915GHz' Phi='0deg' ANSOFT db(axialratiovalue) Theta [deg] 图 7 天线仿真轴比曲线 4 结论本文详细介绍了基于 Ansoft HFSS 的圆极化四臂螺旋天线的设计建模以及仿真过程清晰地描述了具体的建模以及仿真参数设置方法, 并给出了仿真结果曲线, 完成了天线的建模, 仿真, 参数设置, 仿真结果提取等几个步骤为 Ansoft HFSS 软件的初学者以及天线爱好者提供参考

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厦门大学博硕士论文摘要库 GSM The Design of Tri-frequencies Microstrip Antenna for GSM (900/1800/1900-MHz) 2005 5 GSM GSM GSM900 GSM1800 GSM1900 GSM GSM GSM900 GSM1800 GSM1800 GSM1900 GSM 900M 1800M H H E H GSM 120 GSM1800 GSM1900