HFSS天线论 NSOFT HFSS天线设计论文 19

60 Ansoft2004 年用户通讯 圆柱体共形全向微带环天线的设计与仿真 圆柱体共形全向微带环天线的设计与仿真 张宁 王遂学 方振民 北京航天长征飞行器研究所 摘要 摘要 本文设计了一种与圆柱体共形 能提供全向覆盖的微带环天线 其在圆柱体的赤道面上可以 实现近似全向的辐射场 在整个角度范围内 方向图增益起伏不大于 3dB 利用 Ansoft 公司的 HFSS 对其 辐射及阻抗特性进行了计算 仿真结果和理论结果相符 并与相应的经典文献结果做了对比 说明可以 用于全向微带天线及阵列的研制中 关键词 关键词 微带环天线 全向辐射 HFSS 仿真 一一 引言 引言 圆柱体共形全向天线有很多优点 它可以提供在圆柱体赤道面 垂直于圆柱轴线也称方位面 整个角度范围内的全向 辐射场 其增益起伏很小 1 这样 就可以在整个赤道面范围内实现无盲区的无线传输 而不受到安装位置或者圆柱体旋 转的干扰 其已经广泛的应用到了通信基站天线中 全向辐射场可以通过一些全向辐射单元来实现 如偶极子 单极子天 线 双锥天线 磁流环天线以及微带天线等等 本文根据需要 对一种缠绕在较大直径圆柱体 圆柱体直径 0 6 0 d 上 的微带环形天线做了分析 同时采用了Ansoft HFSS对其做了仿真计算 计算结果与分析结果相符 同时与相应的文献结果 做了对比 说明这种共形微带环天线可以应用到实际中 缠绕在圆柱体上的微带环形天线如图 1 包括环形辐射面 介质基板 圆柱接地面 以及相应的馈电网络 2 微带线 侧馈或者探针底馈 gap 图 1 圆柱体上的微带天线环天线 圆柱体直径为 D 微带环半径为 r 高为 L 直径为 2r 介质基板相对介电常数 r 厚度为 h 并且满足 2r d 2h 微带环 形边缘相距为 gap 探针激励位置为 ss z 二二 理论分析 理论分析 经典的分析环形微带天线的方法是假设馈电产生的表面电流 通过Green函数列出电场积分方程 总电场由贴片表面 电流产生的场和探针激励产生的场组成 在贴片表面切向电场消失 于是有 2 0 probe probepatch patch patchpatchpatch dzJzGdSzJzG 1 此处G为圆柱坐标形式的并矢 Green 函数 patch J 和 probe J 分别为贴片表面的电流和探针激励电流 忽略探针的直径 可 以用 函数表示探针激励电流 1 ssprobe zzzJ 2 利用矩量法 基函数展开贴片表面电流 j jjpatch zJazJ 3 代入积分方程 就可以求出贴片的表面电流分布 于是可以求出天线的电场分布和阻抗特性 由文献 1 2 结果可知 如果圆柱体的直径D满足和工作波长 0 之间的关系 0 5 0 32 16 8 4 2 p N 4 然后可以根据馈电点的个数设计相应的馈电网络 三三 设计举例及仿真结果 设计举例及仿真结果 要求一种全向天线 工作在 L 波段 圆柱体直径 0 68 0 D 介质板介电常数 2 2 r 利用 4 可 以得到馈电点个数为 微带环形边缘间隔 环形天线及 4 个馈电点位置如图 2 mmh15 1 4 p N5 gap 图 2 四馈电点环形微带天线 由此 根据微带环形天线的设计方法 根据参数计算出微带环的尺寸 利用 HFSS 建立仿真模型如图 3 计算的赤道 面方向图如图 4 图 3 四馈点环形天线 HFSS 模型 图 4 四馈点环形天线赤道面方向图 由图 4 中可以看出 在赤道面电场分布均匀 方向图增益起伏在 2dB 以内 可以实现比较规则的全向覆盖分布 这 和文献 1 给出的测试数据吻合很好 说明仿真结果准确 因为四个馈点天线方向图分布很好 为了减小馈点网络的复杂程度 本文根据在一定要求范围减少馈电点数目的方法 采用两个馈电点间隔 180 馈电的形式 设计了双馈点的环形天线 模型如图 5 计算结果如图 6 图 5 双馈点环形天线 HFSS 模型 图 6 双馈点环形天线赤道面方向图 从图 6 可以看出 方向图全向性能比四馈点时略有减小 方向图增益起伏约为 3dB 能够满足使用需求 同时简化了 馈点网络 对于阻抗匹配 此处 有一种简单估算环形辐射阻抗的方法 当环形周长 0 2 W 谐振时可以得到靠近微带边缘输 入电阻的表达式 0 0 2 120 2 2 1 W Ra Rin 则输入阻抗 30 inin RZ 则靠近微带边缘的输入阻抗为 但此时的阻抗 无法和的馈线匹配 为了解决匹配问题 根据 30 in Z 504 g 微带贴片的设计方法 在原环形天线的中心设置短路面 这样并 不改变主模电场的分布 而辐射阻抗变成约为原来的两倍 即有 60 in Z 而计算出来的赤道面方向图并没有大的变化 天线形式如图 7 端口回波损耗如图 8 Partners In Design 62 Ansoft2004 年用户通讯 图 7 设置短路边的环形微带 图 8 设置短路边的双馈点微带回波损耗 应用优化方法得到一个较好的馈电点位置 以满足 50的输入端口 计算得到的方位 赤道 面和俯仰 子午 面 方向图如图 9 图 10 图 9 短路边双馈点环形微带赤道面方向图 图 10 短路边双馈点环形微带子午面方向图 由文献 2 给出的实测两个面方向图如图 11 12 图 11 实测全向环微带天线赤道面方向图 图 12 实测全向微带环天线子午面方向图 从图 9 10 和图 11 12 的对比可以看出 二者在赤道面都实现的近似的全向辐射 吻合很好 子午面由于取的圆柱 体高度不同 所以略有差异 但是都呈现出较好的 分布 说明计算结果精确可信 而且 通过设置短路面的方法 可以改善天线的阻抗匹配特性 同时也减小了天线的尺寸 四 结论 四 结论 本文根据圆柱共形的微带环形天线的分析设计方法 计算仿真了一组全向微带天线 其在赤道面可以实现较好的全向 覆盖 采用底馈的双馈电点代替了四馈点形式 简化了馈点网络 降低了共面馈点带线的影响 同时 在满足方向图分布 的前提下设置了适当的短路面 从而达到匹配 并且减小了天线的尺寸 对相应的模型进行了 HFSS 仿真 仿真结果和理 论计算以及实测结果相符 说明这种设计方法适用于设计微带共形天线 而且仿真结果精确可信 可以用于圆柱共形全向 微带环形天线的研制与工程设计中 参考文献 参考文献 1 R E Muson Conformal Microstrip Antennas and Microstrip Phased arrays IEEE Trans Antennas Propagation Vol AP 22 pp 74 77 Jan 1974 2 N Herscovici Z Sopus and S Kildal The Cylindrical Omnidirectional Patch Antenna IEEE Trans Antennas Propagation V