Ansoft HFSS 在設計對數周期天線時的仿真方法

  【摘要】 本文通過 ANSOFT HFSS 設計了一個對數周期天線，在仿真分析時，發現隨著求解頻率的不同，天線的求解結果差別較大，求解誤差較大。通過在 HFSS 中嘗試不同的求解設置方法， 最終通過將天線模型剖分網格最大長度限定在 1/50λ的方法，使的求解結果在不同頻率求解 時的一致性較好，提高了仿真的準確性。為設計者在仿真類似問題時，提供了一種提高求解準 確性的方法。

    1 前言

    對數周期偶極子天線（log-periodic dipole antenna），由于其工作頻帶寬、增益高、前后比好、結構簡單、成本低等眾多優點，在短波、超短波、微波等波段的通信、側向、偵察、電子對抗等方面得到了廣泛的應用。本文利用Ansoft HFSS 軟件對這種傳統的對數周期天線進行了設計，在軟件中直接建立了天線的仿真模型，并進行了相應的端口和邊界設置，然而在仿真求解時卻發現，隨著求解頻率的不同，得到的求解結果差別較大，為了獲得一個較可信的分析結果，提高仿真的準確性，對 HFSS 一些參數設置進行了分析和驗證。

    通過多次比較和驗證，最終通過設置網格的辦法獲得了一組較準確的求解結果，并基于此設置，多模型進行了不斷的優化和改進，設計了一個工作在300MHz~1000MHz 的對數周期天線，證明了 HFSS 在設計該類天線時的有效性和正確性。

    2 對數周期天線的基本分析

    2.1 對數周期天線的建模

    按傳統設計方法，對數周期天線的陣子長度為：

    式中，λl為低頻段自由空間中的工作波長，εr為介質相對介電常數，此處為空氣介質。

    設置天線工作的最高頻率fh=1000MHz，工作的最低頻率fL=300MHz，比例因子г =0.85、間距因子σ=0.13，建立對數周期天線的仿真模型如圖1 所示。天線共有10 對金屬圓柱陣子，直徑相同，天線采用一組正方形的金屬管集合線饋電，饋電點設在天線的頂點處，仿真模型將所有部件都設置為pec 材料，模型相對簡單，并設置好求解頻率和輻射邊界后，模型檢查正確后即可進行仿真。

圖1 對數周期天線的仿真模型圖 

    2.2 天線仿真時遇到的問題

    采用Ansoft HFSS 對上述對數周期天線模型進行仿真分析。分別設置了兩個不同的求解頻點(solution frequency)，f1=0.6GHz、f2=0.8GHz，sweep 從300MHz 到600MHz 進行離散掃頻（discrete），如圖2 所示。  

圖 2 不同求解頻率設置

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