基于Ansoft HFSS 的四臂螺旋天線設計

   【摘要】Ansoft HFSS 是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數、S 參數及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。該軟件廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛星、雷達、半導體和微波集成電路、 航空航天等領域，是研究及設計人員的首選。隨著我國衛星導航定位需求的增加，研究工作于 北斗系統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良的圓極化半球波束以及緊湊的結構和優良的環境適應性，使它在衛星定位系統中有著廣泛的應用。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，結果提取等應用。給出了四臂螺旋天線詳細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 軟件的初學者以及天線設計研究人員提供實例參考。

    1 前言

    Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件HFSS 是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件，也是業界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。HFSS 提供了簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器，能計算任意形狀三維無源結構的S 參數和全波電磁場。HFSS 軟件擁有強大的天線 設計功能，它可以計算天線參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D 圖和 dB 帶寬；繪制極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig 第三定義場分量和軸比。

    圓極化四臂螺旋天線在近年來得到了廣泛的應用，隨著全球衛星定位系統GPS L1 （1575.42 MHz）、L2（1227.6 MHz）和L5（1176.45 MHz）頻段逐漸開放，我國的北斗衛星定位系統（CNSS）不斷成熟。隨著我國衛星導航定位需求的增加，研究工作于北斗系統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良的圓極化半球波束以及緊湊的結構和優良的環境適應性，使它在衛星定位系統中有著廣泛的應用。

    圓極化四臂螺旋天線不同于其他平面結構天線，其天線輻射臂為螺旋結構，在空間上呈三維模型。Ansoft HFSS 軟件以其強大的三維建模，優化運算能力，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，參數設置，仿真結果提取等幾個方面介紹Ansoft HFSS 在天線設計中的使用方法，為初學者以及相關設計人員提供參考借鑒。

    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部分組成：功分相移饋電網絡以及螺旋天線輻射體。天線的工作原理如下：當給四臂螺旋天線的四個輻射臂饋以等振幅，相位兩兩相差90 度的信號時，天線能夠輻射圓極化波，當螺旋臂的長度為四分之一波長的偶數倍時，天線頂端短路如下圖所示，若為奇數倍，則頂端開路。在本示例中， 螺旋線的長度為二分之一波長。

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絡，功分器由兩個背靠背的Wilkinson 功分器組成，每個功分器的兩個輸出端相位相差90 度，饋電端采用雙面帶線為上下兩個功分器分別饋以等副相位相差 180 度的信號。當兩個相同的功分器背靠背放置時，剛好在相鄰四分之一圓周的位置上形成4 個輸出端，產生4 路幅度相等，相位兩兩相差90 度的信號。正好給螺旋天線饋電，產生圓極化輻射。

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