螺旋天线的仿真设计微波课设要点Word格式.docx
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……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
专业班级学号 姓名 成绩
一、设计题目
螺旋天线的仿真设计
二、设计目的
(1)熟悉AnsoftHFSS软件的使用。
(2)学会螺旋天线的仿真设计方法。
(3)完成螺旋天线的仿真设计,并查看S参数以及场分布。
三、实验原理
螺旋天线(helical antenna)是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线
组成,通常用同轴线馈电,同轴线的心线和螺旋线的一端相连接,同轴线的外导体则和接地
的金属网(或板)相连接,该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当
螺旋线的圆周长比一个波长小很多时,辐射最强的方向垂直于螺旋轴;
当螺旋线圆周长为一
个波长的数量级时,最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
四、设计要求
设计一个右手圆极化螺旋天线,要求工作频率为4G,分析其远区场辐射特性以及S曲线。
本设计参数为:
螺旋天线的中心频率 f=4GHz ,λ=75mm;
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
螺旋导体的半径 d=0.15λ=11.25mm;
螺旋线导线的半径 a=0.5mm;
螺距 s=0.25λ=18,75mm;
圈数 N=3;
轴向长度 l=Ns;
五、设计仿真步骤
在HFSS建立的模型中,关键是画出螺旋线模型。
画螺旋线,现说明螺旋线模型的创建。
1、建立新的工程
运行HFSS,点击菜单栏中的Project>
InsertHfssDessign,建立一个新的工程。
2、设置求解类型
(1)在菜单栏中点击HFSS>
SolutionType。
(2)在弹出的SolutionType窗口中
(a)选择DrivenModal。
(b)点击OK按钮。
3、设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。
(1)在菜单栏中点击3DModeler>
Units。
(2)设置模型单位:
(a)在设置单位窗口中选择:
mm。
(b)点击OK按钮。
4、设置模型的默认材料
在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select,在设置材料窗口中选择copper(铜)材料,
点击OK按钮(确定)确认。
5、创建螺旋天线模型
(1)创建螺旋线Helix。
在菜单中点击Draw>
Circle,输入圆的中心坐标。
X:
11.25Y:
0Z:
0,按回车键结束。
输入圆的
半径dX:
0.5dY:
0 dZ:
0按回车键结束输入。
在特性(Porperties)窗口中将Axis改为Y。
点击确认。
在历史操作树中选中该circle。
在菜单键点击Draw>
Helix,在右下角的输入栏中
输入X:
0Y:
0 Z:
-7.5,按回车键结束输入;
在右下角的输入栏中输入dX:
0dY:
0 dZ;
50;
按回
车键;
在弹出的Helix窗口中,Turn Directions:
Right HandPitch:
18.75(mm)Tuns:
3;
Radiuschange per Turn:
0点击OK。
在特性窗口中选择Attribute标签,将名字改为Helix。
(2)建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。
在菜单中点击Draw>
Cylider,创建圆柱模型。
输入坐标为X:
11.25,Y:
0Z;
0 ,按回车键结束
输入。
输入半径dX:
0.5dY:
0 dZ:
0 ,按回车键结束输入,输入圆柱长度dX;
0dY:
0dZ:
-3,按回
车键结束输入。
在特性窗口中选择Attribute选项卡,将名字改为ring,点击确定。
(3)创建球体Sphere1。
为了把Helix和ring连接起来,创建一个球体Sphere1,点击Draw>
Sphere,输入球心坐标X:
22.5 Y:
0 Z:
0;
按回车键结束输入。
输入球体半径,dX:
0.5 dY:
0dZ:
0;
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为Sphere1。
(4)将Helix、ring和Sphere1结合起来。
在菜单栏中点击Edit>
Select>
ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ring,Helix和Sphere。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>
Unite。
点击OK结束。
形成的模型如下图2所示。
图2、螺旋线模型
6、建立同轴线馈线。
(1)在菜单栏中点击Draw>
Cylider,创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
4,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
-7按回车键结束输入。
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringout。
(2)在菜单栏中点击Draw>
Cylider,创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标:
X:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径:
dX:
3.95,dY:
0,dZ:
0按回车键结束输入。
0,dY:
0,dZ:
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringin。
(3)在菜单栏中点击Edit>
Select>
ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ringout,ringin。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>
Subtract,在Subtract窗口中作如下设置:
BlankParts:
ringout,ToolParts:
ringin,Clonetool objects before subtract复选框不选。
点击OK结束设置。
(4)创建内导体ringcenter。
在菜单栏中点击Draw>
Cylider,创建圆柱模型。
11.25,Y:
dX:
0.5,dY:
0,dZ:
在坐标输入栏中输入圆柱的长度:
dX:
0,dY:
0,dZ:
-7按回车键结束输入。
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为ringcenter。
(5)在菜单栏中点击Edit>
Select>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Helix和ringcenter。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>
Unite。
点击OK结束。
7、建立接地板
(1)在菜单栏中点击DrawCircle,创建圆模型。
在坐标输入栏中输入圆中心坐标:
11.25,Y:
0,Z:
-3按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径:
dx:
37.5,dy:
0,dz:
在特性(property)窗口中选择attribute标签,将圆柱的名字修改为groundplane.2在菜单栏中点击 DrawCircle,创建圆模型。
11.25Y:
_3按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径:
dX:
1,dy:
0,dz:
0按回车键结束输入。
(3)在菜单栏中点击editselectby name,在弹出的窗口中利用ctrl键选择groundplanecircle,在菜单栏中点击 3DmodelerBooleansbstract,在substract窗口中作 如下设置:
blankparts:
groundplanetoolpart:
circleclonetool objectsbeforesubstract复选框不选。
点击 OK结束设置。
8、创建辐射边界
(1)设置默认材料。
在工具栏中设置模型的默认材料为真空(vacuun)。
(2)创建Air。
在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
11.25,Y:
0,Z:
-10按回车键结束输入。
50,dY:
0,dY:
150按回车键结束输入。
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为Air,按确定键结束。
在3D模型窗口中以合适大小显示(可用Ctrl+D操作)。
(3)设置辐射边界。
在菜单栏中点击Edit>
Select>
ByName,在弹出的窗口中选择Air,点击OK按钮。
在菜单栏中点击HFSS>
Boundaries>
Radiation。
在辐射边界窗口中,将辐射边界命名为Rad1,点击OK结束。
9、创建波端口
同轴线采用波端口激励,首先要创建波端口面,并将其设置为波端口。
(1)创建端口圆面模型,在菜单栏中点击Draw>
Circle。
在坐标栏中输入圆心点的坐标:
0,Z:
-10按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆半径:
dX:
3.95,dY:
0,dZ:
在特性(Property)窗口中选择Attribute标签,将该圆柱的名字改为p1。
(2)设置波端口。
Select>ByName,在弹出的窗口中选择p1,在菜单栏中点击HFSS>
Exciations>Assign>
LumpedPort。
在Lumped Port窗口中General标签中,将该端口命名为wave。
在Modest标签中设置积分线,在IntegrationLine中点击None,选择NewLine,在坐标栏中输入X:
15.2,Y:
-3.45,dY:
0。
点击Next直至结束。
10、辐射场角度设置
在菜单栏中点击HFSS>
Radiation>
InsertFarField Setup>
Infinite Sphere,在辐射远场对话窗中做一下设置:
Name:
ff-2d;
Phi:
(Start:
0,Stop:
180,Step Size:
90);
Theta:
(Start:
0,Stop:
360,StepSize:
10)。
点击OK按钮。
11、求解设置
(1)设置求解频率。
在菜单栏中点击HFSS>
AnalysisSetup>
AddSolutionSetup。
在求解设置窗口中做一下设置:
SolutionFrequency:
4GHZ;
MaximumNumberofPasses:
15;
MaximunDeltaSperPass:
0.02;
(2)设置扫频。
在菜单栏中点击HFSS>
Analysis Setup>
Add Sweep。
选择Setup1,点击OK按钮。
在扫频窗口中做一下设置:
SweepType:
Fast;
FrequencySetupType:
Linear Count;
Start:
3GHZ,Stop:
5GHZ;
Count:
201。
将SaveField复选框选中,点击OK按钮确认,这一步操作为了将扫频中每一频点的场都保存下来。
12、确认设计
由主菜单选HFSS/ValidationCheck对设计进行确认,如图3。
图3确认设计
如图3所示均打勾即可,点Close结束。
13、保存工程
在菜单栏中点击File>
SaveAs,在弹出的窗口中将工程命名为hfss-luoxuan,并选择保存路径。
14、求解该工程
在菜单栏点击HFSS>
Analyze。
可能会花几个小时,耐心等待。
15、后处理操作
(1)S参数(反射系数)。
绘制该问题的反射系数曲线,该问题为单端口问题,因此反射系数是S11。
点击菜单栏HSFF>
Result>
CreatReport。
在创建报告窗口中做以下选择:
ReportType:
ModalSParameters;
DisplayType:
Rectangle点击OK按钮。
在Trace窗口中做以下设置:
Solution:
Setup1:
Sweep1;
Domain:
Sweep点击Y标签,选择:
Category:
S parameter;
Quantity:
S(p1,p1);
Function:
dB,然后点击AddTrace按钮。
点击Done按钮完成操作,绘制出反射系数曲线。
(2)2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HSFF>Result>
Creat Report。
ReportType:
FarFields;
DisplayType:
RadiationPattern。
点击OK按钮。
在Trace窗口中做以下设置:
Solution:
Setup1:
LastAdptive;
Geometry:
ff-2d。
在Sweep标签中,在Name这一项点击第一个变量Phi,在下拉菜单中选择The。
点击Mag标签,选择:
Category:
Gain;
Quantity:
GainTotal;
Function:
dB,然后点击Add Trace按钮。
点击Done按钮完成操作,绘制出方向图。
15、保存并推出HFSS
六、仿真结果
1.反射系数S11曲线
s11越小,反射波越小,也就是天线辐射出去的能量越多。
2.2D辐射远场方向图
主瓣宽度尽可能窄,以抑制干扰。
旁瓣电频尽可能低,如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同,则接收噪声功率就会较高,也就是干扰较大。
3.3D增益方向图
4.E面方向图
5.H面方向图
6.轴比图
七.设计分析:
经过四分之一周期后,轴向辐射场由y方向变相为x方向,即矢量场旋转了90°
,但振幅不变。
一次类推,经过一个周期的时间,电场矢量将连续地旋转360°
从而形成了圆极化波。
当d/λ≈0.25—0.45时,螺旋天线一周的周长接近一个波长,此时天线上的电流呈行波分布,则天线的辐射场呈圆极化波,其最大辐射方向沿轴线方向。
由于在轴向辐射螺旋天线上电流接近纯行波分布,所以在一定的带宽内,其阻抗变化也不大,且基本接近纯电阻。
另外,它仅在末端有很小的反射。
由于反射回接地平面的场非常弱,因此接地平面的影响可以忽略,且对接地平面尺寸的要求也不严格,只要大于半波长即可,形状一般是金属圆盘。
八、设计总结
这次微波技术与天线的螺旋天线的仿真设计中遇到了许多的问题,首先是没有具体的设计参数和步骤,其次是涉及许多的专业知识和实践经验等许多问题。
但是通过老师及同学的热心帮助,和自己的不断努力和尝试,最后终于完成了实验,通过这次的课程设计,让我对这门课程的知识有了更深的认识,对我以后的学习有了很大的帮助。
让我明白以后分析问题要更加全面,以及和实际情况的联系。
九.参考文献
刘学观,微波技术与天线,西安电子科技大学电出版社,2008。
顾继慧,微波技术,科学出版社,2007。
李明洋,HFSS应用设计详解,人民邮电出版社,2010。
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- 螺旋 天线 仿真 设计 微波 要点