螺旋天线的仿真设计
基于HFSS的超宽带天线的仿真设计
基于HFSS的超宽带天线的仿真设计超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术在通信、雷达、生命科学以及计算机网络等领域都有着重要的应用。
为了实现超宽带通信，需要设计优化的超宽带天线。
本文介绍了基于HFSS软件的超宽带天线的仿真设计。
首先，超宽带天线的设计需要考虑其频率范围和辐射特性。
超宽带天线能够在多个频段内工作，其辐射波形应该符合超宽带信号的要求。
因此，我们需要设计一种在整个频率范围内都能够辐射信号的天线。
在超宽带天线设计中，一种常见的方法是采用螺旋天线。
螺旋天线是一种能够产生圆极化辐射的天线，其具有较宽的频带。
通过调整螺旋天线的尺寸和参数，可以实现在超宽带频率范围内的工作。
使用HFSS软件进行超宽带天线的设计和仿真。
HFSS是一种电磁场仿真软件，能够帮助工程师分析和解决各种无线电频率设备的问题。
使用HFSS软件，可以对超宽带天线进行三维电磁场模拟，并获得其频率响应、辐射图案等参数。
在使用HFSS软件进行仿真设计时，首先需要生成天线的三维模型。
可以通过绘制天线的结构和几何形状，或通过导入CAD文件生成。
在建模过程中，需要注意准确的尺寸和几何参数。
接下来，需要通过设置边界条件和材料参数来定义仿真模型。
在超宽带天线的仿真中，可以采用均匀网格和适当的边界条件来提高计算效率和准确度。
完成模型设置后，可以进行频率扫描仿真来获得天线的频率响应。
通过设置所需的频率范围和步进值，可以获取超宽带天线在整个频率范围内的响应特性。
然后，进行辐射特性的仿真。
通过设置天线的激励条件，可以得到天线的辐射图案和增益等参数。
辐射图案是描述天线辐射能力的重要指标，可以通过HFSS软件进行仿真和分析。
在得到仿真结果后，可以对超宽带天线的性能进行评估和优化。
可以根据仿真结果对天线的尺寸、结构和材料进行调整，以达到设计要求。
总之，基于HFSS的超宽带天线的仿真设计可以帮助工程师实现高效、准确的天线设计。
通过HFSS软件的仿真分析，可以获得超宽带天线的频率响应、辐射图案等各种性能指标，为超宽带通信和其他应用领域提供支持。
平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真
平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真徐 琰 张漠杰（上海航天局第八○二研究所 上海200090）摘要：本文介绍了阿基米德平面螺旋天线及微带渐变线阻抗变换器的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS 对该天线及宽带匹配网络进行仿真，并与测量结果进行比较，仿真结果与测量结果吻合。
关键词： 阿基米德平面螺旋天线 渐变线阻抗匹配 平衡馈电一、 平面螺旋天线1.1 阿基米德平面螺旋天线为了满足灵活性和通用性，常常要求天线能以令人满意的方向图、阻抗和极化特性工作于很宽的频带范围内。
线性振子天线的频带是很窄的，增加振子直径只能稍微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。
天线的增益、方向图、输入阻抗等电特性参数在一个较宽的频带内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线的性能参数是随频率变化的。
有一类天线，其几何形状完全由角度规定，性能与频率无关，这类天线称为非频变天线。
典型的天线有等角螺旋天线。
阿基米德平面螺旋天线不是一个真正意义上的非频变天线，但它也可以在很宽的频带内工作。
因为它不能满足截断要求，电流在工作区后并不明显的减小，螺旋天线被截断后方向图必受影响，因此必须在末端加载而避免波的反射。
阿基米德螺旋的半径随角度的变化均匀的增加，方程为φρρa +=0式中0ρ是起始半径，为螺旋增长率。
a本文设计的是双臂的阿基米德平面螺旋天线（如图1），两臂方程分别为φρρa +=011和)(022πφρρ++=a 。
用印刷电路技术来制造这种天线，使金属螺旋的宽度等于两条螺旋间的间隔宽度，形成自互补天线。
臂的宽度为：20102πρρa W =−=对于一个自互补天线结构，由巴比涅—布克（Babinet －Booker ）原理可求得，具有两个臂的无限大结构的输入阻抗为188.5欧。
图1 阿基米德平面螺旋天线在螺旋的周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。
螺旋天线的仿真设计
螺旋天线的仿真设计螺旋天线是一种常见的天线形式，其结构为螺旋状，使得天线的增益和方向性较强。
在无线通信中，螺旋天线具有较广泛的应用。
本文将介绍螺旋天线的仿真设计过程，包括建模、设计、优化和仿真。
建模螺旋天线的建模是仿真设计的第一步，通过建立天线的几何模型，可以为后续的设计和仿真提供基础。
在建模过程中，需要考虑天线的参数，包括螺旋元件的长度、宽度、距离、导线的半径等。
通常情况下，建模可以采用CAD软件，如SolidWorks、CATIA等，以三维模型的形式呈现螺旋天线的结构和形状。
设计在建模基础上，需要对螺旋天线进行设计。
设计包括确定天线的工作频率、设计天线的转向、设计天线的匹配电路等。
在设计过程中，需要考虑到天线的增益和方向性，以及天线的信号传输性能。
工作频率螺旋天线的工作频率是设计的关键因素之一。
通常情况下，天线的工作频率与其物理尺寸以及匹配电路有关。
在确定螺旋元件的长度、宽度、距离和导线半径后，可以采用电磁仿真软件进行仿真，从而确定天线的工作频率。
转向设计螺旋天线的转向设计是另一个关键因素。
根据转向的方向和角度，可以调整天线的增益和方向性。
在设计过程中，需要考虑到天线的应用场景，以确定最优的转向设计。
匹配电路设计匹配电路是螺旋天线的关键组成部分之一。
通过匹配电路的设计，可以提高天线的功率传输效率，并降低反射损耗。
在设计匹配电路时，需要考虑天线的输入阻抗和负载阻抗之间的匹配，以保证天线能够有效工作。
优化螺旋天线的设计和优化是一个迭代过程，通过反复的仿真分析和优化设计，可以使螺旋天线达到最优的性能。
在优化过程中，需要考虑到天线的特性，如阻抗、增益、方向性等，以及其在实际环境下的表现。
仿真螺旋天线的仿真是验证天线性能和效果的重要步骤。
在仿真过程中，可以得到螺旋天线的各项性能指标，如增益、方向性、回波损耗等。
通过仿真分析，可以调整和优化天线的参数，从而使其达到最佳的性能。
本文介绍了螺旋天线的仿真设计过程，包括建模、设计、优化和仿真。
螺旋天线初步仿真总结
反射系数（驻波）和耦合系数：不圆度：m1-m2=增益（）加载线圈：无线圈：总结：不圆度指标可在1dB内；驻波和耦合是难点；把螺旋天线内置在天线罩中，耦合增强，但对位置敏感，需要和室分天线联合调参。
fpc-induce2 good天线变小了反射系数（驻波）和耦合系数：940MHz0.500.751.001.25 1.501.752.00F req [GH z ]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00Y 1g o o dX Y P lo t 2-6.2077-4.7591-9.3256C u rve I n fo d B (S (1,1))S e tu p 1 : S we e p d B (S (1,2))S e tu p 1 : S we e p d B (S (2,2))S e tu p 1 : S we e p不圆度：m1-m2=-2.20-2.00-1.80-1.609060300-30-6090-120-150150120m 1m 2N a m e P h iAn g M a gm 1269.0000-91.0000-2.2586m 285.000085.0000-1.5142940Mhz 端口损耗=（）= dBS11=, P: S21=, P:GAIN-REALIZEDGAIN=1-|S11|-|S21|= = dB 吻合!螺旋天线方向图：水平全向，和室分天线类似IBEACON仿真结果：1.2cm*2cm地板（）沿y轴放置的ibeacon天线，方向图为y轴零点的面包圈。
增益。
2.大地板（）方向图为y轴仍为零点。
随着地板增大，ibeacon天线辐射偏向了地板方向，出现3个副瓣，端口匹配容易，增益增大为。
3.室分天线+螺旋天线+IBEACON（）1.501.752.00 2.25 2.50 2.753.00 3.25 3.50F req [GH z]-15.00-12.50-10.00-7.50-5.00-2.500.00Y1ib e a co n+a n te n n aX Y P lo t 1-8.4173-0.0506-10.1141C u rve I n fod B(S(1,1))S e tu p1 : S we e pd B(S(2,2))S e tu p1 : S we e pd B(S(3,3))S e tu p1 : S we e p室分天线和ibeacon的方向图Theta=30,60时的方向图其中，端口1是室分天线，端口2是螺旋天线，端口3是ibeacon天线。
利用HFSS设计平面等角螺旋天线
利用HFSS设计平面等角螺旋天线HFSS（高频结构模拟器）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于无线通信、射频电子、天线设计等领域。
在设计平面等角螺旋天线时，可以使用HFSS来进行仿真、优化和分析。
下面将介绍利用HFSS设计平面等角螺旋天线的步骤和注意事项。
1.定义天线的几何结构：在HFSS中，首先需要定义天线的几何形状。
对于平面等角螺旋天线，可以使用直线段和弧段来描述螺旋的几何结构。
可以选择合适的参数，如螺旋半径、线宽和线距等，来定义螺旋天线的几何形状。
2. 设置边界条件和材料属性：在进行仿真之前，需要设置适当的边界条件和材料属性。
对于平面等角螺旋天线，一般使用PEC（Perfect Electric Conductor）作为边界条件，以确保电磁波在螺旋天线表面的反射和吸收很小。
此外，还需要为天线材料设置合适的电磁参数，如相对介电常数和损耗正切等。
3.设定频率范围和场激励：在HFSS中，可以设置所需的频率范围和场激励方式。
一般来说，平面等角螺旋天线用于宽频工作，因此可以选择一个合理的工作频率范围。
对于激励方式，可以选择点源激励，即在螺旋天线的发射端施加一个适当的电流源。
4. 进行电磁波分析：在设置好几何结构、边界条件、材料属性、频率范围和场激励之后，可以进行电磁波分析。
HFSS使用有限元方法来求解Maxwell方程组，得到电磁场分布、辐射特性等结果。
5.优化和调整参数：根据仿真结果，可以对平面等角螺旋天线的几何参数进行优化和调整。
例如，可以改变螺旋半径、线宽和线距，以优化天线的电磁性能，如增益、辐射方向性等。
6.分析和评估性能：经过优化和调整之后，可以再次进行电磁波分析，得到优化后的天线性能。
可以对比不同参数设置下的性能，如频率响应、辐射图案等，进行评估和选择最佳设计。
在设计平面等角螺旋天线时1.准确地定义几何参数：几何参数的准确定义对于仿真结果的准确性至关重要。
要仔细测量几何参数，并正确输入到HFSS中。
多螺距、多波段螺旋天线的设计与仿真
MATCHED
Benefit of using macro
• • • • Save time – no redrawing Portable – cut and paste Optimetrix ready Tweaking dimension using pulled down menu – edit parameters
Assigning Parameters to the Helix Sections • • • • • Helix diameter, helixrad Number of turns, nostx Pitch of helix, pitchx Z-position of starting point, hstartx Angle of rotation of the starting point, rostx
Drawing the subsequent helix
"hstart2=hstart1+nost1*pitch1" Circle [helixrad, 0, hstart2] 1 wirerad "hb2" 1 wiresegment [0, helindia, hstart2] Select ("hb2") Rotate 2 rost1 Deselect ("*") NewObjColor 0 0 254 Helix "hb2" 2 pitch2 nost2 8 0 "helix2" "rost1=nost1*360"
Design Strategy
The two bands are related, the 5th harmonics of the first band fall on that of the second.
轴向模螺旋天线的仿真研究
起点到接地板 的距离 ｇ ２ ｍｍ， ＝２ 接地板 直径 为 １６ ｍ。 ６ｍ
过改变接地板直径 ｄ为 １ｍ 在 Ｈ Ｓ １ ５ ｍ， Ｆ Ｓ ２中进行仿 真 。
图６ 所示为 ３ Ｄ方向图。 ７ 图 所示为 极坐标 方向图。 从图 ７中可 以看 出， 背射增益为 ２ ８Ｂ ．ｄ。 ０
３结束语
８ １
［］ Ｏ ＪＹ Ｏ Ｄ Ｃ，Ｅ Ｃ ｈ ｒｎ ｐ ｏｔｎｓ ｃｂ ａ ２Ｋ ， Ｈ Ｌ Ｅ Ｙ Ｈ．ｏ ｅｅ ｔ ｐ ｒ ｉｔ ｅ ｍ— ｏ ｕ ｉ
ｆ ｒ ｎ ｗｉ ｐ ｒｉｌ ｈ ｎ ｅ ｉｆ ｒ ａｉｎ ｎ ｏ ｍｉ ｇ ｔ ｈ ａ ｔ ｃ ａ ｎ ｌ ｎ ｏｍ ｔ ｉ ｍ ｕ ｕ ｅ ａ ｏ ｈｉｓ ｒ
ｉ ｌ 堇 Ｒ Ｉ
１ 朴
～
…
…
图 ６３ 方 向 图 Ｄ
图 ７极 坐标 方 向 图
参考文 献 ：
【］ 昌禄， １ 林 聂在平 ． 天线工程手册【 ． ： Ｍ］ 北京 电子工业 出版
社 ， ０ ：９～ ９ ． ２ ２ ４ ４９ ０ ４
［ 林 昌禄． 天线设计【 ］ 京： 民邮 电出版社， ９ ． ２ ］ 近代 Ｍ． 北 人 １ ０ ９
螺旋天线初步仿真总结
螺旋天线初步仿真简介螺旋天线是现代通信领域中常用的一种天线。
与传统的线性天线相比，螺旋天线具有更广阔的频率范围和更强的极化适应性。
在实际应用中，螺旋天线可用于卫星通信、雷达、移动通信等领域。
本文将对螺旋天线进行初步仿真，并对仿真结果进行。
仿真工具在仿真螺旋天线时，我们使用了Ansoft HFSS这一电磁仿真工具。
该工具具有强大的电磁仿真能力，并且能够模拟多种复杂的天线结构。
天线结构螺旋天线的特殊结构可使其具有更广泛的频带和更稳定的性能。
螺旋天线通常由驻波耦合带、电感耦合框架和辐射器三部分组成。
其中，辐射器是螺旋天线中最重要的部分。
辐射器通常由导线或金属板制成。
在我们的仿真中，我们选择使用导线制作辐射器，并通过Ansoft HFSS进行建模。
仿真参数在进行螺旋天线的仿真时，我们需要设置一些关键参数。
下面是我们在仿真中所使用的参数：•驻波耦合带长度：3mm•电感耦合框架长度：2.5mm•螺旋天线直径：20mm•扭转距离：10mm•辐射器长度：40mm•频率范围：2GHz到4GHz•单元类型：tetrahedron仿真结果在仿真完整的螺旋天线结构之后，我们可以通过Ansoft HFSS获得一系列仿真结果。
下面是我们在仿真过程中得到的一些关键结果：•S11参数：通过S11参数，我们可以了解到螺旋天线的反射损耗。
在我们的仿真中，螺旋天线的S11参数在整个频率范围内均小于-30dB，表明螺旋天线的反射损耗较低。
•阻抗带宽：螺旋天线的阻抗带宽非常重要，它能够告诉我们螺旋天线在多大范围内能够保持正常工作。
在我们的仿真中，螺旋天线的阻抗带宽达到了500MHz，表明螺旋天线具有较广泛的工作频率范围。
•极化：螺旋天线具有左旋和右旋两种极化方式。
在我们的仿真中，螺旋天线的极化为右旋，符合我们预期的结果。
通过以上仿真结果，我们可以发现螺旋天线具有较好的阻抗带宽和反射损耗，适用于多种通信领域。
同时，在其他仿真参数固定的前提下，通过对辐射器长度等参数进行调整，我们可以进一步提高螺旋天线的性能。
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一、设计题目：螺旋天线的仿真设计
二、设计目的：
（1）熟悉Ansoft HFSS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、设计要求：
螺旋天线是一种常用的典型的圆极化天线，本设计就是基于螺旋天线的基础理论及熟练掌握HFSS10软件的基础上的，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。
螺旋天线通常用同轴线馈电，天线的一端与同轴线的内导体相连，另一端则处于自由状态。
螺旋天线示意图如图1所示：
图1、螺旋天线
四、设计参数：
中心频率f=4GHz λ=75mm
螺旋导体的半径d=0.15λ=11.25mm
螺旋线导线半径a=0.5mm
螺距s-0.2λ=15mm
圈数N=7
轴向长度l=Ns
五、设计步骤
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。
求解类型设置与上两个设计一样，材料为copper，模型单位为mm，螺旋线的创建如下。
点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。
X:11.25 Y:0 Z:0 ,按回车键结束。
输入圆的半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回车键结束输入。
在特性窗口中将Axis改为Y。
点击确认。
选中该circle。
点击Draw>Helix，输入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回车键结束输入，输入dX:0 dY:0 dZ;100
按回车键，在弹出的窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:15(mm) Tuns:7 Radius change per Turn:0点击OK。
在特性窗口中选择Attribute标签，将名字改为Helix。
建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。
点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。
输入坐标为X:11.25 Y:0
Z;0 ，按回车键结束输入，输入半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 ，按回车键结束输入，输入圆柱长度dX;0 dY:0 dZ:-3,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。
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:11.25 Y:0 Z:0输入球体半径，dX:0.5 dY:0 dZ:0 并将其名字改为Sphere，为了将三者结合起来，按下Ctrl+A,点击3Dmodeler>Boolean>Unite.,点击OK结束。
形成的模型如下如图1所示。
建成之后，在螺旋线下端建立同轴线馈线，并且螺旋线下端与其内芯相连，上端悬空。
并设立辐射边界条件与端口激励和扫频设置，保存、运行后处理操作。
六、试验截图：总体结构图如下图所以：
S参数曲线图如下图所示：
3D辐射图如下图所示
辐射方向极坐标图1如下图：
辐射方向极坐标图2如下图：
七、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。
但是通过老师及学长和学姐的热心帮助，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。