基于Ansoft HFSS 的四臂螺旋天線設(shè)計(jì)

   【摘要】Ansoft HFSS 是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S 參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。該軟件廣泛應(yīng)用于無線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體和微波集成電路、 航空航天等領(lǐng)域，是研究及設(shè)計(jì)人員的首選。隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求的增加，研究工作于 北斗系統(tǒng)的全雙工圓極化天線有著十分重要的意義。其中，四臂螺旋天線可以獲得性能優(yōu)良的圓極化半球波束以及緊湊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，使它在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了基于Ansoft HFSS 軟件的圓極化四臂螺旋天線的建模，仿真，結(jié)果提取等應(yīng)用。給出了四臂螺旋天線詳細(xì)的仿真步驟并介紹了該類天線在建模中的一些技巧，為Ansoft HFSS 軟件的初學(xué)者以及天線設(shè)計(jì)研究人員提供實(shí)例參考。

    1 前言

    Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件HFSS 是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，也是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS 提供了簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS 軟件擁有強(qiáng)大的天線 設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算天線參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D 圖和 dB 帶寬；繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量、Ludwig 第三定義場(chǎng)分量和軸比。

    圓極化四臂螺旋天線在近年來得到了廣泛的應(yīng)用，隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS L1 （1575.42 MHz）、L2（1227.6 MHz）和L5（1176.45 MHz）頻段逐漸開放，我國(guó)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（CNSS）不斷成熟。隨著我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位需求的增加，研究工作于北斗系統(tǒng)的全雙工圓極化天線有著十分重要的意義。其中，四臂螺旋天線可以獲得性能優(yōu)良的圓極化半球波束以及緊湊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，使它在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

    圓極化四臂螺旋天線不同于其他平面結(jié)構(gòu)天線，其天線輻射臂為螺旋結(jié)構(gòu)，在空間上呈三維模型。Ansoft HFSS 軟件以其強(qiáng)大的三維建模，優(yōu)化運(yùn)算能力，是仿真四臂螺旋天線的首選。本文從四臂螺旋天線的建模，仿真，參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果提取等幾個(gè)方面介紹Ansoft HFSS 在天線設(shè)計(jì)中的使用方法，為初學(xué)者以及相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考借鑒。

    2 四臂螺旋天線建模

    天線在HFSS中的整體模型如下圖1 所示，模型中的天線由兩個(gè)部分組成：功分相移饋電網(wǎng)絡(luò)以及螺旋天線輻射體。天線的工作原理如下：當(dāng)給四臂螺旋天線的四個(gè)輻射臂饋以等振幅，相位兩兩相差90 度的信號(hào)時(shí)，天線能夠輻射圓極化波，當(dāng)螺旋臂的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，天線頂端短路如下圖所示，若為奇數(shù)倍，則頂端開路。在本示例中， 螺旋線的長(zhǎng)度為二分之一波長(zhǎng)。

圖1 四臂螺旋天線在HFSS 中的仿真模型

    在螺旋體下面的圓盤為功分饋電網(wǎng)絡(luò)，功分器由兩個(gè)背靠背的Wilkinson 功分器組成，每個(gè)功分器的兩個(gè)輸出端相位相差90 度，饋電端采用雙面帶線為上下兩個(gè)功分器分別饋以等副相位相差 180 度的信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)相同的功分器背靠背放置時(shí)，剛好在相鄰四分之一圓周的位置上形成4 個(gè)輸出端，產(chǎn)生4 路幅度相等，相位兩兩相差90 度的信號(hào)。正好給螺旋天線饋電，產(chǎn)生圓極化輻射。

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