螺旋天线的仿真设计微波课设.docx
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螺旋天线的仿真设计微波课设
太原理工大学现代科技学院
课程设计任务书
专业班级
学生姓名
课程名称
微波技术与天线课程设计
设计名称
螺旋天线的仿真设计
设计周数
1.5周
指导教师
设计
任务
主要
设计
参数
1熟悉HFSS仿真平台的使用
2熟悉圆极化天线的工作原理与设计方法
3在HFSS平台上完成如下螺旋天线的仿真设计
中心频率f=4GHZ，λ=75mm;
螺旋导体的半径d=0.15λ=11.25mm;
螺旋线导线的半径a=0.5mm;
螺距s=0.25λ=18.75mm;
圈数N=3;
轴向长度l=Ns;
4结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨
5在1.5周内完成设计任务
设计内容
设计要求
6.25：
分组、任务分配、任务理解
6.26：
查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案的设计
6.27~6.29：
熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。
7.2：
同组同学结果汇总及讨论
7.3~7.4：
设计说明书的撰写
在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。
主要参考
资料
刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2008.
顾继慧，微波技术，科学出版社，2007.
李明洋，HFSS应用设计详解，人民邮电出版社，2010.
指导教师签名：
日期：
……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………
专业班级电信班学号姓名成绩
一、设计题目
螺旋天线的仿真设计
二、设计目的
（1）熟悉AnsoftHFSS软件的使用。
（2）学会螺旋天线的仿真设计方法。
（3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S参数以及场分布。
三、实验原理
螺旋天线（helicalantenna）是一种具有螺旋形状的天线。
它由导电性能良好的金属螺旋线
组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地
的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。
螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。
当
螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一
个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。
四、设计要求
设计一个右手圆极化螺旋天线，要求工作频率为4G，分析其远区场辐射特性以及S曲线。
本设计参数为：
螺旋天线的中心频率f=4GHz，λ=75mm；
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
螺旋导体的半径d=0.15λ=11.25mm；
螺旋线导线的半径a=0.5mm；
螺距s=0.15λ=11,25mm；
圈数N=7；
轴向长度l=Ns；
五、设计仿真步骤
在HFSS建立的模型中，关键是画出螺旋线模型。
画螺旋线，现说明螺旋线模型的创建。
1、建立新的工程
运行HFSS，点击菜单栏中的Project>InsertHfssDessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型
（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。
（2）在弹出的SolutionType窗口中
（a）选择DrivenModal。
（b）点击OK按钮。
3、设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3DModeler>Units。
（2）设置模型单位：
（a）在设置单位窗口中选择：
mm。
（b）点击OK按钮。
4、设置模型的默认材料
在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select，在设置材料窗口中选择copper（铜）材料，
点击OK按钮（确定）确认。
5、创建螺旋天线模型
（1）创建螺旋线Helix。
在菜单中点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。
X:
11.25Y:
0Z:
0,按回车键结束。
输入圆的
半径dX:
0.5dY:
0dZ:
0按回车键结束输入。
在特性（Porperties）窗口中将Axis改为Y。
点击确认。
在历史操作树中选中该circle。
在菜单键点击Draw>Helix，在右下角的输入栏中
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
输入X:
0Y:
0Z:
-5.625，按回车键结束输入；在右下角的输入栏中输入dX:
0dY:
0dZ;78.75；按回车键；在弹出的Helix窗口中，TurnDirections:
RightHandPitch:
11.25（mm）Tuns:
7;RadiuschangeperTurn:
0点击OK。
在特性窗口中选择Attribute标签，将名字改为Helix。
（2）建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。
在菜单中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
输入坐标为X:
11.25，Y:
0Z;0，按回车键结束
输入。
输入半径dX:
0.5dY:
0dZ:
0，按回车键结束输入，输入圆柱长度dX;0dY:
0dZ:
-2.25,按回车键结束输入。
在特性窗口中选择Attribute选项卡，将名字改为ring，点击确定。
（3）创建球体Sphere1。
为了把Helix和ring连接起来，创建一个球体Sphere1，点击Draw>Sphere,输入球心坐标X:
11.25Y:
0Z:
0；按回车键结束输入。
输入球体半径，dX:
0.5dY:
0dZ:
0；在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字改为Sphere1。
（4）将Helix、ring和Sphere1结合起来。
在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ring，Helix和Sphere。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite。
点击OK结束。
形成的模型如下图2所示。
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
图2、螺旋线模型
6、建立同轴线馈线。
（1）在菜单栏中点击Draw>Cylider，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：
X：
11.25，Y：
0，Z：
-2.5926按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：
dX：
8.326，dY：
0，dZ：
0按回车键结束输入。
在坐标输入栏中输入圆柱的长度：
dX：
0，dY：
0，dZ：
0.3426按回车键结束输入。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字改为ringout。
（2）在菜单栏中点击Draw>Cylider，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：
X：
11.25，Y：
0，Z：
-2.5926按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：
dX：
8.3，dY：
0，dZ：
0按回车键结束输入。
在坐标输入栏中输入圆柱的长度：
dX：
0，dY：
0，dZ：
0.3426按
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
回车键结束输入。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字改为ringin。
（3）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ringout，ringin。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Subtract，在Subtract窗口中作如下设置：
BlankParts:
ringout,ToolParts:
ringin,Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选。
点击OK结束设置。
（4）创建内导体ringcenter。
在菜单栏中点击Draw>Cylider，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：
X：
11.25，Y：
0，Z：
-2.605按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：
dX：
0.5，dY：
0，dZ：
0按回车键结束输入。
在坐标输入栏中输入圆柱的长度：
dX：
0，dY：
0，dZ：
0.355按回车键结束输入。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字改为ringcenter。
（5）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中利用Ctrl键选择Helix和ringcenter。
在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite。
点击OK结束。
7、创建端口面port
（1）在菜单栏中点击Draw>Circle，创建圆模型。
在坐标输入栏中输入圆中心坐标：
X：
11.25，Y：
0，Z：
-2.5926按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径：
dx：
0,dy:
0.5,dz:
0按回车键结束输入。
在特性（property）窗口中选择attribute标签，将名字修改为Port1.在菜单栏中点击Draw>Circle，创建圆模型。
在坐标输入栏中输入圆中心坐标：
X：
11.25Y：
0Z：
_-2.5926按回车键结束输入。
在坐输入栏中输入圆的半径：
dX:
0,dy:
8.3,dz:
0按回车键结束输入。
在特性（property）窗口中选择attribute标签，将名字修改为Port2。
（3）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中利用ctrl键选择Port1和Port2在菜单栏中点击3Dmodele>Boolean>sbstract，在substract窗口中作如下设置：
blankparts:
Port2toolparts:
Port1。
选中clonetoolobjectsbeforesubstract复选框。
点击OK结束设置。
8、创建端口激励
在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，选中Port2，在菜单栏中点击HFSS>Exciations>Assign>LumpedPort。
在LumpedPort窗口中General标签中，将该端口命名为p1。
点击next。
在Modest标签中设置积分线，在IntegrationLine中点击None，选择NewLine，在坐标栏中输入X：
2.95，Y：
0，Z：
-2.5926，dX：
7.8，dY：
0，dZ：
0。
点击Next直至结束。
9、创建辐射边界
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
（1）设置默认材料。
在工具栏中设置模型的默认材料为空气（air）。
（2）创建Air。
在菜单栏中点击Draw>Cylider，创建圆柱模型。
在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：
X：
0，Y：
0，Z：
-32.605按回车键结束输入。
在坐标栏中输入圆柱半径：
dX：
41.25，dY：
0，dZ：
0按回车键结束输入。
在坐标输入栏中输入圆柱的长度：
dX：
0，dY：
0，dZ：
141.385按回车键结束输入。
在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字改为Air，按确定键结束。
在3D模型窗口中以合适大小显示（可用Ctrl+D操作）。
（3）设置辐射边界。
在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，在弹出的窗口中选择Air，点击OK按钮。
在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。
在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK结束。
10、求解设置
（1）设置求解频率。
在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSolutionSetup。
在求解设置窗口中做一下设置：
SolutionFrequency：
4GHZ；MaximumNumberofPasses：
15；MaximunDeltaSperPass：
0.02；点击OK按钮。
（2）设置扫频。
在菜单栏中点击HFSS>AnalysisSetup>AddSweep。
选择Setup1，点击OK按钮。
在扫频窗口中做一下设置：
SweepType：
Fast；FrequencySetupType：
LinearCount；Start：
3GHZ，Stop：
4.4GHZ；Count：
400。
将SaveField复选框选中，点击OK按钮确认。
11、设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>InsertFarFieldSetup>InfiniteSphere,在辐射远场对话窗中做一下设置：
Phi：
（Start：
0deg，Stop:
180deg,StepSize：
90deg）；Theta：
（Start：
0deg，Stop:
360deg,Step
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
Size：
10deg）。
点击OK按钮。
12、确认设计
由主菜单选HFSS/ValidationCheck对设计进行确认，如图3。
图3确认设计
如图3所示均打勾即可，点Close结束。
13、保存工程
在菜单栏中点击File>SaveAs,在弹出的窗口中将工程命名为hfss--Patch，并选择保存路径。
14、求解该工程
在菜单栏点击HFSS>Analyze。
15、后处理操作
（1）S参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是S11。
点击菜单栏HSFF>Result>CreatReport。
在创建报告窗口中做以下选择：
ReportType：
ModalSParameters；DisplayType：
Rectangle点击OK按钮。
在Trace窗口中做以下设置：
Solution：
Setup1：
Sweep1；Domain：
Sweep点击Y标签，选择：
Category：
Sparameter；Quantity：
S（p1，p1）；Function：
dB，然后点击AddTrace按钮。
点击Done按钮完成操作，绘制出反射系数曲线。
（2）2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HSFF>Result>CreatReport。
在创建报告窗口中做以下选择：
ReportType：
FarFields；DisplayType：
RadiationPattern。
点击OK按钮。
在Trace窗口中做以下设置：
Solution：
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
Setup1：
LastAdptive；Geometry：
ff-2d。
在Sweep标签中，在Name这一项点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。
点击Mag标签，选择：
Category：
Gain；Quantity：
GainTotal；Function：
dB，然后点击AddTrace按钮。
点击Done按钮完成操作，绘制出方向图。
15、保存并推出HFSS
六、仿真结果
1.反射系数S11曲线
s11越小，反射波越小，也就是天线辐射出去的能量越多。
由图得：
y1=y2=-6.00dBx1=3.18Ghz,x2=3.24Ghz
主瓣宽度尽可能窄，以抑制干扰。
旁瓣电频尽可能低，如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同，则接收噪声功率就会较高，也就是干扰较大。
2.3D增益方向图
3轴比图
…………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
X1=180.00degy1=1.23<3所以极化方式为圆极化。
七．设计分析：
经过四分之一周期后，轴向辐射场由y方向变相为x方向，即矢量场旋转了90°，但振幅不变。
一次类推，经过一个周期的时间，电场矢量将连续地旋转360°，从而形成了圆极化波。
当d/λ≈0.25—0.45时，螺旋天线一周的周长接近一个波长，此时天线上的电流呈行波分布，则天线的辐射场呈圆极化波，其最大辐射方向沿轴线方向。
由于在轴向辐射螺旋天线上电流接近纯行波分布，所以在一定的带宽内，其阻抗变化也不大，且基本接近纯电阻。
另外，它仅在末端有很小的反射。
由于反射回接地平面的场非常弱，因此接地平面的影响可以忽略，且对接地平面尺寸的要求也不严格，只要大于半波长即可，形状一般是金属圆盘。
八、设计总结
这次微波技术与天线的螺旋天线的仿真设计中遇到了许多的问题，首先是没有具体的设计参数和步骤，其次是涉及许多的专业知识和实践经验等许多问题。
但是通过老师及同学的热心帮助，和自己的不断努力和尝试，最后终于完成了实验，通过这次的课程设计，让我对这门课程的知识有了更深的认识，对我以后的学习有了很大的帮助。
让我明白以后分析问题要更加全面，以及和实际情况的联系。
九．参考文献
刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2008。
顾继慧，微波技术，科学出版社，2007。
李明洋，HFSS应用设计详解，人民邮电出版社，2010。
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