ANSOFT HFSS天线设计论文46篇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 . 0d ）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12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 2W ，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