基于Ansoft HFSS 的四臂螺旋天線設計

    功分饋電網絡采用的是介電常數4.4，厚度0.8mm 的介質基片，一面是金屬底板，另一面為微帶線如下圖2 所示。饋電端采用Lump port 方式饋電，使上下兩個功分器的輸入端形成雙面帶線從而產生幅度相等相位相差 180 度的信號。上下每一個功分器的輸出端長度兩兩相差四分之一個波長，產生90 度的相位差，從而使得四個輸出端口幅度相等，相位 兩兩相差90 度。位于下方的功分器的兩個輸出端因為要與螺旋天線的兩個輻射臂相連，需 要在介質板上打兩個過孔進行連接。

     在 HFSS 中建模的具體建模操作如下

    介質基片：點擊 Draw>Cylinder 按照實際尺寸畫出介質基片形狀；設置為介電常數為4.4 的RF4 材料。

    地板：點擊 Draw>Circle 畫出地板；選中地板后點擊Assign Boundary >Perfect E 設置為金屬面

    微帶線：點擊 Draw>Rectangle 畫出微帶線；點擊 Draw>line 畫出微帶線拐角處的三角形切角；選中以上二者點擊Subtract，切出拐角切角。

    饋電端口：點擊 Draw>Rectangle 畫出一個矩形； 點擊Assign Excitation>Lump port 畫出一條從下微帶到上微帶的積分線

    過孔：在需要打孔位置點擊 Draw> Cylinder 畫出一個圓柱體；把介質基板跟圓柱體均選中點擊 Edit > Boolean > Subtract 形成過孔

圖 2 饋電網絡仿真模型

    2.2 螺旋輻射體的建模

    螺旋輻射體的建模有一些技巧，在實際中，螺旋體常常是用鐵絲或者銅絲繞制成的，所以為立體結構，但是為了方便仿真以及加快運算的速度，在HFSS 中需要用平面結構來等效實際中的螺旋線。在HFSS 中實際建模操作如下：
    1. 在螺旋線沿圓周起點的位置上點擊 Draw > line 畫出垂直于 XY 平面的一條直線 
    2. 選中該直線并點擊 Draw > Helix 畫出一條螺旋線 
    3. 選中螺旋線并點擊 Edit > Duplicate > Around axis 沿著圓周復制出 4 條螺旋線 
    4. 根據螺旋體的高度點擊 Draw > Cylinder 畫出一個半徑略大于螺旋線的圓柱體并一起 選中點擊 Edit > Boolean > intersect 切去螺旋線上下多余的部分 
    5. 在螺旋線頂端點擊 Draw > arc > 3 point arc 畫出一個圓形線選中并點擊 Draw > sweep  > around vector 畫出頂端短路環 
    6.把各部分螺旋線選中并點擊 unit 連接并點擊 Assign Boundary > Perfect E 設置成金屬面

    2.3 螺旋體獨立建模仿真

    不考慮功分饋電網絡，可以對螺旋體進行獨立仿真，這其中最重要的一點就是模擬螺旋線四個輸入端口的饋電。在HFSS 中可以用四個同軸線來模擬螺旋天線的四個輸入端口，激勵設置為wave port，如下圖3 所示，并在 HFSS > Fields > Edit sources 里面設置四個激勵端的幅度跟相位，模擬四臂螺旋天線輸入端等幅相位兩兩相差90 度的信號。

圖3 同軸線模擬螺旋輸入端口

    3 仿真掃參及結果提取

    3.1 仿真設置及參數掃描

    建模完成后點擊Draw > Cylinder選中后點擊Assign Boundary > Radiation添加輻射邊界air box，輻射邊界的大小原則上為距離天線四分之一波長范圍。 點擊Analysis > setup 設置天線中心頻率以及收斂精度，點擊 sweep 設置掃頻范圍，完成設置過程。如需掃參，點擊 Optimetrics > add > parametric 設置參數，進行掃參操作。

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