使用HFSS仿真设计四臂螺旋天线

【摘要】Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、 航空航天等领域，是研究及设计人员的首选。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。本文介绍了基于Ansoft HFSS 软件的圆极化四臂螺旋天线的建模，仿真，结果提取等应用。给出了四臂螺旋天线详细的仿真步骤并介绍了该类天线在建模中的一些技巧，为Ansoft HFSS 软件的初学者以及天线设计研究人员提供实例参考。

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 dB 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 （1575.42 MHz）、L2（1227.6 MHz）和L5（1176.45 MHz）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。

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图1 四臂螺旋天线在HFSS 中的仿真模型

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。