基于Ansoft HFSS 的四臂螺旋天线设计

    功分馈电网络采用的是介电常数4.4，厚度0.8mm 的介质基片，一面是金属底板，另一面为微带线如下图2 所示。馈电端采用Lump port 方式馈电，使上下两个功分器的输入端形成双面带线从而产生幅度相等相位相差 180 度的信号。上下每一个功分器的输出端长度两两相差四分之一个波长，产生90 度的相位差，从而使得四个输出端口幅度相等，相位 两两相差90 度。位于下方的功分器的两个输出端因为要与螺旋天线的两个辐射臂相连，需 要在介质板上打两个过孔进行连接。

     在 HFSS 中建模的具体建模操作如下

    介质基片：点击 Draw>Cylinder 按照实际尺寸画出介质基片形状；设置为介电常数为4.4 的RF4 材料。

    地板：点击 Draw>Circle 画出地板；选中地板后点击Assign Boundary >Perfect E 设置为金属面

    微带线：点击 Draw>Rectangle 画出微带线；点击 Draw>line 画出微带线拐角处的三角形切角；选中以上二者点击Subtract，切出拐角切角。

    馈电端口：点击 Draw>Rectangle 画出一个矩形； 点击Assign Excitation>Lump port 画出一条从下微带到上微带的积分线

    过孔：在需要打孔位置点击 Draw> Cylinder 画出一个圆柱体；把介质基板跟圆柱体均选中点击 Edit > Boolean > Subtract 形成过孔

图 2 馈电网络仿真模型

    2.2 螺旋辐射体的建模

    螺旋辐射体的建模有一些技巧，在实际中，螺旋体常常是用铁丝或者铜丝绕制成的，所以为立体结构，但是为了方便仿真以及加快运算的速度，在HFSS 中需要用平面结构来等效实际中的螺旋线。在HFSS 中实际建模操作如下：
    1. 在螺旋线沿圆周起点的位置上点击 Draw > line 画出垂直于 XY 平面的一条直线 
    2. 选中该直线并点击 Draw > Helix 画出一条螺旋线 
    3. 选中螺旋线并点击 Edit > Duplicate > Around axis 沿着圆周复制出 4 条螺旋线 
    4. 根据螺旋体的高度点击 Draw > Cylinder 画出一个半径略大于螺旋线的圆柱体并一起 选中点击 Edit > Boolean > intersect 切去螺旋线上下多余的部分 
    5. 在螺旋线顶端点击 Draw > arc > 3 point arc 画出一个圆形线选中并点击 Draw > sweep  > around vector 画出顶端短路环 
    6.把各部分螺旋线选中并点击 unit 连接并点击 Assign Boundary > Perfect E 设置成金属面

    2.3 螺旋体独立建模仿真

    不考虑功分馈电网络，可以对螺旋体进行独立仿真，这其中最重要的一点就是模拟螺旋线四个输入端口的馈电。在HFSS 中可以用四个同轴线来模拟螺旋天线的四个输入端口，激励设置为wave port，如下图3 所示，并在 HFSS > Fields > Edit sources 里面设置四个激励端的幅度跟相位，模拟四臂螺旋天线输入端等幅相位两两相差90 度的信号。

图3 同轴线模拟螺旋输入端口

    3 仿真扫参及结果提取

    3.1 仿真设置及参数扫描

    建模完成后点击Draw > Cylinder选中后点击Assign Boundary > Radiation添加辐射边界air box，辐射边界的大小原则上为距离天线四分之一波长范围。 点击Analysis > setup 设置天线中心频率以及收敛精度，点击 sweep 设置扫频范围，完成设置过程。如需扫参，点击 Optimetrics > add > parametric 设置参数，进行扫参操作。

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