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催贸畔屠
4 years ago
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1 Ansoft HFSS 在设计对数周期天线时的仿真方法孙凤林黄克猛中国西南电子技术研究所, 成都, [ 摘要 ] 本文通过 HFSS 设计了一个对数周期天线, 在仿真分析时, 发现随着求解频率的不同, 天线的求解结果差别较大, 求解误差较大通过在 HFSS 中尝试不同的求解设置方法, 最终通过将天线模型剖分网格最大长度限定在 1/50λ 的方法, 使的求解结果在不同频率求解时的一致性较好, 提高了仿真的准确性为设计者在仿真类似问题时, 提供了一种提高求解准确性的方法 [ 关键词 ] HFSS; 网格设置 ; 对数周期天线 The Simulation Method on designing of a Log-Periodic Dipole Antenna on Ansoft HFSS Sun Feng-lin,Huang Ke-meng Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, , China [ Abstract ] A method of simulating Log-Periodic Dipole Antenna on Ansoft HFSS is introduced in this paper. When simulating the Log-periodic antenna model, it was found that the simulation results are difference with different Solution Frequency on HFSS, The solution error is high. The accuracy of the solution depends on the size of each of the individual elements, to generate a precise simulation result, applying mesh operations,assigning Maximum length of Elements mesh to 1/50λ, the results shows that the difference is reduced obviously, the simulation accuracy is improved. [ Keyword ] HFSS; mesh operations; log-periodic dipole antenna 1 前言对数周期偶极子天线 (log-periodic dipole antenna), 由于其工作频带宽增益高前后比好结构简单成本低等众多优点, 在短波超短波微波等波段的通信侧向侦察电子对抗等方面得到了广泛的应用本文利用 Ansoft HFSS 软件对这种传统的对数周期天线进行了设计, 在软件中直接建立了天线的仿真模型, 并进行了相应的端口和边界设置, 然而在仿真求解时却发现, 随着求解频率的不同, 得到的求解结果差别较大, 为了获得一个较可信的分析结果, 提高仿真的准确性, 对 HFSS 一些参数设置进行了分析和验证

2 通过多次比较和验证, 最终通过设置网格的办法获得了一组较准确的求解结果, 并基于此设置, 多模型进行了不断的优化和改进, 设计了一个工作在 300MHz~1000MHz 的对数周期天线, 证明了 HFSS 在设计该类天线时的有效性和正确性 2 对数周期天线的基本分析 2.1 对数周期天线的建模按传统设计方法, 对数周期天线的阵子长度为 : 式中, 为低频段自由空间中的工作波长, 为介质相对介电常数, 此处为空气介质设置天线工作的最高频率 f h =1000MHz, 工作的最低频率 f L =300MHz, 比例因子 г =0.85 间距因子 σ=0.13, 建立对数周期天线的仿真模型如图 1 所示天线共有 10 对金属圆柱阵子, 直径相同, 天线采用一组正方形的金属管集合线馈电, 馈电点设在天线的顶点处, 仿真模型将所有部件都设置为 pec 材料, 模型相对简单, 并设置好求解频率和辐射边界后, 模型检查正确后即可进行仿真 2.2 天线仿真时遇到的问题图 1 对数周期天线的仿真模型图采用 Ansoft HFSS 对上述对数周期天线模型进行仿真分析分别设置了两个不同的求解频点 (solution frequency),f 1 =0.6GHz,f 2 =0.8GHz, sweep 从 300MHz 到 600MHz 进行离散扫频 (discrete), 如图 2 所示

图 2 不同求解频率设置两次求解, 除了求解频率不同, 其余设置完全相同, 仿真结果如图 3 所示 1.75 1.63 1.7434 XY Plot 1 LPDA9 Setup3 : Sweep _1 1.50 Y1 1.38 1.3709 1.25 1.13 1.

37, 且两条曲线的变化规律也存在不同趋势, 一致性不好, 说明求解存在较大误差, 因此必须对天线模型和求解设置进行改进通过提高最大 Delta S, 增加辐射边界尺寸, 应用 PML 边界以及采用一阶 (First order) 基函数等方法后,

3 图 2 不同求解频率设置两次求解, 除了求解频率不同, 其余设置完全相同, 仿真结果如图 3 所示 XY Plot 1 LPDA9 Setup3 : Sweep _ Y Freq [MHz] MX1: 图 3 不同求解频率驻波曲线图从图中可以明显看出, 天线两次求解的驻波曲线差别较大, 最大值差别有 0.37, 且两条曲线的变化规律也存在不同趋势, 一致性不好, 说明求解存在较大误差, 因此必须对天线模型和求解设置进行改进通过提高最大 Delta S, 增加辐射边界尺寸, 应用 PML 边界以及采用一阶 (First order) 基函数等方法后, 均存在上述现象分析其原因, 发现两次求解频率的不同导致两次模型网格剖分的不同, 且局部网格剖分过于粗糙, 因此考虑提高网格密度的办法, 对模型进行手动网格加密处理由于天线模型为规则金属柱状体结构, 不存在介质, 且模型外表面规则因此考虑基于单元网格长度限制的加密处理见图 4

如图所示, 将最大网格长度限制在 20mm=1/50λ L (λ L 为 300MHz 时的波长 ), 然后再次对上述模型进行两次求解, 求解频率依然是 f 1 =0.6GHz,f 2 =0.8GHz 其余设置不变, 仿真结果如图 5 所示, 1.70 1.60 图 4 网格设置 XY Plot 7 Setup3 : Sweep 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 300.

4 如图所示, 将最大网格长度限制在 20mm=1/50λ L (λ L 为 300MHz 时的波长 ), 然后再次对上述模型进行两次求解, 求解频率依然是 f 1 =0.6GHz,f 2 =0.8GHz 其余设置不变, 仿真结果如图 5 所示, 图 4 网格设置 XY Plot 7 Setup3 : Sweep Freq [MHz] 从图 5 可以看出, 两次求解的一致性明显好于图 3 所示, 驻波曲线趋势基本一致, 驻波最大差别小于 0.04, 通过进一步提高网格限制和加密仿真频点, 两条曲线的一致性还可以提高, 但是仿真效率也会随着网格的加密而降低, 因此需要根据自己的需要合理设置在可接受的误差范围内, 提高仿真效率 2.3 天线的设计仿真结果图 5 加密后不同求解频率驻波

5 基于上面的设置, 综合考虑仿真效率和计算误差, 对天线进行了优化设计, 最终得到一组较理想的设计参数天线的最终仿真结果如下 Name X Y m ghz m1 Freq='0.3GHz' Phi='0deg' Freq='0.3GHz' Phi='90deg' Name X Y m ghz m1 Freq='0.6GHz' Phi='0deg' Freq='0.6GHz' Phi='90deg' db(r ealizedg aintotal) db(r ealizedg aintotal) Theta [deg] Theta [deg] 图 6 E 面和 H 面方向图 (0.3GHz) 图 7 E 面 H 面方向图 (0.6GHz) Name X Y m ghz m1 Freq='1GHz' Phi='0deg' Freq='1GHz' Phi='90deg' XY Plot 9 max() Phi='0deg' d B (R e a liz e d G a in T o ta l) m ax(db(realizedg aintotal)) Theta [deg] Freq [GHz] 图 8 E 面和 H 面方向图 (1.0GHz) 图 9 增益曲线从仿真结果可以看出, 在频率 0.3GHz~1.0GHz 范围内, 对数周期天线驻波小于 2 在工作频段内, 天线的增益在大于 6.4dBi, 大部分频点增益在 8dB 以上 3 结论本文介绍了采用 Ansoft HFSS 分析设计柱状对数周期天线时的仿真方法, 采用基于网格最大长度的加密方法, 提高了仿真结果的正确性和有效性, 并基于该网格设置, 设计了一款工作在 300MHz~1000MHz 的对数周期天线仿真结果显示了天线的良好性能这种方法对于设计者在以后遇到类似的问题时, 有一定的指导意义

6 [ 参考文献 ] [1] 林昌禄, 聂在平等. 天线工程手册. 电子工业出版社, [2] 作者简历孙凤林 (1982-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为天线小型化技术和宽带天线技术 helonsun@163.com 黄克猛 (1984-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为天线小型化和隐身天线技术

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<4D F736F F D D2BBD6D6D0A1D0CDBFEDC6B5B4F8B8DFB8F4C0EBB6C8CBABBCABBBAFCCECCFDF2E646F63> 一种小型宽频带高隔离度双极化天线 [ 李鹏杰卢智远张金峰 ] [ 西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室, 陕西西安 710071] [ 摘要 ] 设计了一种适用于基站天线的小型宽频带高隔离度双极化对称阵子天线单元, 并使用电磁仿真软件 HFSS 对该基站天线单元的电特性进行了仿真和优化结果表明, 天线在 698MHz~ 960MHz 频段内电压驻波比 VSWR 小于 1.35, 端口隔离度大于