四臂螺旋天线的Ansoft HFSS仿真设计
1 前言 Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件HFSS是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，也是业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S 参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。 圆极化四臂螺旋天线在近年来得到了广泛的应用，随着全球卫星定位系统GPS L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）和L5（1176.45MHz）频段逐渐开放，我国的北斗卫星定位系统（CNSS）不断成熟。随着我国卫星导航定位需求的增加，研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义。其中，四臂螺旋天线可以获得性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性, 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用。 圆极化四臂螺旋天线不同于其他平面结构天线，其天线辐射臂为螺旋结构，在空间上呈三维模型。Ansoft HFSS软件以其强大的三维建模，优化运算能力，是仿真四臂螺旋天线的首选。本文从四臂螺旋天线的建模，仿真，参数设置，仿真结果提取等几个方面介绍Ansoft HFSS在天线设计中的使用方法，为初学者以及相关设计人员提供参考借鉴。 2 四臂螺旋天线建模 天线在HFSS中的整体模型如下图1所示，模型中的天线由两个部分组成：功分相移馈电网络以及螺旋天线辐射体。天线的工作原理如下：当给四臂螺旋天线的四个辐射臂馈以等振幅，相位两两相差90度的信号时，天线能够辐射圆极化波，当螺旋臂的长度为四分之一波长的偶数倍时，天线顶端短路如下图所示，若为奇数倍，则顶端开路。在本示例中，螺旋线的长度为二分之一波长。 在螺旋体下面的圆盘为功分馈电网络，功分器由两个背靠背的Wilkinson功分器组成，每个功分器的两个输出端相位相差90度，馈电端采用双面带线为上下两个功分器分别馈以等副相位相差180度的信号。当两个相同的功分器背靠背放置时，刚好在相邻四分之一圆周的位置上形成4个输出端，产生4路幅度相等，相位两两相差90度的信号。正好给螺旋天线馈电，产生圆极化辐射。
2.1 功分馈电网络的建模： 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。
图2 馈电网络仿真模型 在HFSS中建模的具体建模操作如下 介质基片： 1.点击Draw—Cylinder按照实际尺寸画出介质基片形状 2.设置为介电常数为4.4的RF4材料 地板： 1.点击Draw—Circle画出地板 2.选中地板后点击 Assign Boundary—Perfect E设置为金属面 微带线： 1.点击Draw—Rectangle画出微带线 2.点击Draw—line画出微带线拐角处的三角形切角 3.选中以上二者点击Subtract，切出拐角切角 馈电端口： 1.点击Draw—Rectangle画出一个矩形 2.点击Assign Excitation—Lump port画出一条从下微带到上微带的积分线 过孔： 1.在需要打孔位置点击Draw—Cylinder画出一个圆柱体 2.把介质基板跟圆柱体均选中点击 Edit—Boolean—Subtract形成过孔 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。 3.2 仿真结果提取 仿真完成后，提取仿真结果如下： 天线回波损耗曲线：点击Result—Create Model Solution Data Report—Rectangular report在Catalog中选S parameter设置生成结果如下图。
图4 天线回波损耗图 天线增益方向图：点击Result—Create Far Fields Report—Rectangular plot在Catalog中选Gain设置生成结果如下图：
图5 天线仿真增益图 也可点击Result—Create Far Fields Report—3D polar plot生成三维增益方向图。
图6 天线三维增益方向图 天线轴比曲线：点击Result—Create Far Fields Report—Rectangular plot在Catalog中选择Axial Ratio，设置生成结果如下图：
图7 天线仿真轴比曲线 4 结论 本文详细介绍了基于Ansoft HFSS的圆极化四臂螺旋天线的设计建模以及仿真过程。清晰地描述了具体的建模以及仿真参数设置方法，并给出了仿真结果曲线，完成了天线的建模，仿真，参数设置，仿真结果提取等几个步骤。为Ansoft HFSS软件的初学者以及天线爱好者提供参考。
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