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          零基礎入門(mén)智能射頻---平面螺旋天線(xiàn)自動(dòng)化設計與分析(一)

          2023-03-03 來(lái)源:射頻問(wèn)問(wèn) 作者:江右射頻 字號:

          前言

          常見(jiàn)的平面螺旋天線(xiàn)可分為平面對數螺旋天線(xiàn)和阿基米德平面螺旋天線(xiàn),本期我們主要學(xué)習阿基米德平面螺旋天線(xiàn),這樣的天線(xiàn)并不是一個(gè)真正意義上的非頻變天線(xiàn)。

          ?圖 1 阿基米德平面螺旋天線(xiàn)

          大家請看這種天線(xiàn)是不是和下面的圖很相似,下圖中相信大家都很熟悉,對比發(fā)現兩者除了材質(zhì)不同,曲線(xiàn)是如此的一致。

          ?圖 2 蚊香

          阿基米德平面螺旋天線(xiàn)

          阿基米德螺旋線(xiàn)

          在正式學(xué)習阿基米德平面螺旋天線(xiàn)前,我們先了解一下什么是阿基米德螺旋線(xiàn),細心的朋友可能已經(jīng)發(fā)現了兩個(gè)名詞都有一個(gè)共同的詞“阿基米德螺旋線(xiàn)”。

          其實(shí),螺線(xiàn)或螺旋結構在自然界中隨處可見(jiàn),下面這些可愛(ài)的小海螺就擁有迷人的螺線(xiàn)。

          ?圖 3 海螺的螺旋線(xiàn)

          阿基米德螺線(xiàn)是一種相鄰兩匝線(xiàn)圈之間的距離固定不變的螺線(xiàn)類(lèi)型,其極坐標方程可表示為:

          r = a + bθ

          其中,a是螺線(xiàn)的初始半徑,b是相鄰線(xiàn)圈之間的距離,該距離為2πb。

          阿基米德螺旋天線(xiàn)理論

          1)阿基米德螺旋天線(xiàn)輻射特性

          阿基米德螺旋天線(xiàn)如下圖所示,在螺旋的周長(cháng)為一個(gè)波長(cháng)附近的區域,形成平面螺旋的主要輻射區。當頻率發(fā)生變化時(shí),主要輻射區隨之變動(dòng),但方向圖基本不變,因此螺旋天線(xiàn)具有寬帶特性。對應最低工作頻率,天線(xiàn)必須要有1.25波長(cháng)的周長(cháng)。對最高工作頻率,要由饋電點(diǎn)間的間隔尺寸來(lái)確定,其間隔也必須小于4/λ。

          阿基米德螺旋天線(xiàn)的輻射是雙向的,最大輻射方向在平面兩側的法線(xiàn)方向上。

          圖 4 阿基米德螺旋天線(xiàn)

          此時(shí)的輻射特性可以分為左旋分量和右旋分量:

          ?圖 5 左右旋分量

          2)阻抗特性

          天線(xiàn)的內徑影響輸入阻抗,阿基米德螺旋天線(xiàn)作為一種自補結構天線(xiàn),則有如下公式:

          則可推算出:

          ?上面是我們計算得到的阿基米德螺旋天線(xiàn)阻抗,實(shí)際天線(xiàn)阻抗低于這個(gè)值,通常在100左右。

          阿基米德平面螺旋天線(xiàn)設計

          天線(xiàn)尺寸

          設計阿基米德螺旋天線(xiàn)需要確定天線(xiàn)的內半徑、外半徑和螺旋增長(cháng)率等參數。

          1)內半徑

          阿基米德螺旋天線(xiàn)的內半徑表示為r0,這個(gè)參數決定了螺旋天線(xiàn)的最高工作頻率,兩者之間由如下公式確定:

          ?2)外半徑

          阿基米德螺旋天線(xiàn)的外半徑表示為D,這個(gè)參數決定了螺旋天線(xiàn)的最小工作頻率,兩者之間由如下公式確定:

          3)螺旋增長(cháng)率

          螺旋增長(cháng)率a和天線(xiàn)輻射性能有關(guān),天線(xiàn)外半徑D固定,隨著(zhù)螺旋增長(cháng)率a越小,在主輻射帶內螺旋圈數越多,天線(xiàn)輻射性能越好,方向圖也平滑。但是螺旋圈數越多,電流路徑增加,天線(xiàn)的損耗增加,增益會(huì )有損失,即螺旋增長(cháng)率a過(guò)大會(huì )降低天線(xiàn)輻射效率,所以需要選取合適的螺旋增長(cháng)率a。

          a = (D − r0)/2πn

          天線(xiàn)自動(dòng)化建模

          要用Python 實(shí)現阿基米德螺旋天線(xiàn),需由以下幾步實(shí)現:

          1.確定天線(xiàn)的尺寸 由給定的工作頻段,我們使用上一節給出的公式分別確定出螺線(xiàn)的內徑和外徑。

          2.繪制阿基米德螺旋線(xiàn) 接下來(lái)我們需要在笛卡爾坐標中繪制繪制阿基米德螺旋線(xiàn),如下圖所示,需要將極坐標中的阿基米德螺旋線(xiàn)轉化為在笛卡爾坐標中的阿基米德螺旋線(xiàn)。

          ?圖 6 阿基米德螺旋線(xiàn)

          按照上圖得到如下的(x,y)坐標::

          x = rcosθ

          y = rsinθ

          我們得到該坐標系下的阿基米德螺旋線(xiàn)方程:

          x = (a + bθ)cosθ

          y = (a + bθ)rsinθ

          進(jìn)而計算螺線(xiàn)增長(cháng)率::

          a = (D − r0)/2πn

          到目前為止,我們已經(jīng)得到了繪制阿基米德螺旋線(xiàn)的參數,根據這些參數使用python便可以繪制阿基米德螺旋線(xiàn)。

          1.修改阿基米德螺旋線(xiàn)

          經(jīng)過(guò)以上步驟,我們可以得到這樣的一個(gè)曲線(xiàn),明顯這個(gè)不能工程化,我們需要給它加粗才行,得到右側的圖形

          ?圖 7 繪制的阿基米德螺旋線(xiàn)

          要得到上圖右側的圖形,就需要繪制兩條等間距的阿基米德螺旋線(xiàn),如下圖所示,實(shí)現步驟如下:

          1. 首先繪制兩條一樣的重合阿基米德螺旋線(xiàn);

          2. 將其中一條阿基米德螺旋線(xiàn)偏移到規定的寬度,確保相鄰間距為b;

          3. 連接兩條曲線(xiàn)的端部;

          4. 經(jīng)過(guò)以上三步已經(jīng)完成了阿基米德螺旋天線(xiàn)的單臂輪廓,利用HFSS的創(chuàng )建曲面功能,得到最終的天線(xiàn)單臂;

          5. 按照同樣的方法得到阿基米德螺旋天線(xiàn)的另外一個(gè)臂;

          4)配置仿真程序

          在HFSS工程中配置頻率等參數,進(jìn)行分析計算。

          ?圖 8 原始曲線(xiàn)

          天線(xiàn)自動(dòng)化建模部分示例代碼

          1)函數說(shuō)明

          這里,筆者自定義了五個(gè)函數,分別為HFSS_start()、settingFreq()、drawvjmd()、HFSS_Ansly()和RESULTE_HFSS()函數,用于分別實(shí)現如下功能:

          HFSS_start():通過(guò)該函數可實(shí)現調用、啟動(dòng)HFSS程序;

          settingFreq():通過(guò)該函數可設置天線(xiàn)的工作頻段,同時(shí)設置HFSS程序;

          drawvjmd():通過(guò)該函數可實(shí)現設計阿基米德螺旋線(xiàn)天線(xiàn),并配置HFSS工程參數;

          HFSS_Ansly():通過(guò)該函數使用HFSS進(jìn)行分析計算;

          RESULTE_HFSS():結果處理。

          2)程序設計流程

          Python程序的設計流程為:

          1. 由python程序啟動(dòng)HFSS;

          2. 分別給定天線(xiàn)的工作頻段;

          3. 由python 程序在HFSS中繪制螺旋天線(xiàn);

          4. 由python 程序調用HFSS進(jìn)行仿真分析;

          5. 由python 程序處理計算結果。

          # 啟動(dòng)HFSS

          HFSS_start()

          # 設置工作頻段

          settingFreq(1,4)

          # 繪制阿基米德天心啊

          drawajmd()

          # 調用HFSS分析

          HFSS_Ansly()

          # 結果處理

          RESULTE_HFSS()

          天線(xiàn)仿真分析

          由上述方法,通過(guò)python設計了一款阿基米德平面螺旋天線(xiàn),如下圖所示:

          ?圖 9 平面天線(xiàn)

          其仿真結果顯示,其輻射特性圖由左旋與右旋兩個(gè)分量組成。

          ?圖 10 阿基米德平面螺旋天線(xiàn)

          在此基礎上,我們可以稍加改造,變成只有一個(gè)分量的阿基米德平面螺旋天線(xiàn),如下圖所示,此時(shí)的增益顯著(zhù)增強,改造方式我們下期介紹。

          ?圖 11 只有一個(gè)分量的阿基米德平面螺旋天線(xiàn)

          ?圖 12 右旋分量

          天線(xiàn)的電流分布如下:

          ?圖 13 表面電流分布

          小結

          本期我們學(xué)習了阿基米德螺旋天線(xiàn)的基本原理,掌握了如何選擇阿基米德螺旋天線(xiàn)的設計參數,并對阿基米德螺旋天線(xiàn)進(jìn)行了初步的分析,給出了其輻射特性與阻抗特性,并給出了用于python自動(dòng)化建模的公式,可以利用該公式快速設計自己的阿基米德螺旋天線(xiàn)。

          來(lái)源:射頻問(wèn)問(wèn) https://www.rfask.net/article-775.html

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