电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用

Caty Fairclough 2018年 2月 21日

缝隙螺旋天线拥有多功能性和宽带频率响应特性,因此被广泛用于无线通信、传感、定位、跟踪及许多不同微波频段的应用。为了优化缝隙螺旋天线的设计,工程师们可以利用电磁分析来精确计算诸如 S 参数和远场模式之类的特性。

缝隙螺旋天线的优点

缝隙螺旋天线拥有以下优点:

  • 近乎理想的圆偏振辐射
  • 宽带频率响应
  • 辐射方向图和阻抗能够在大带宽范围内保持不变

此外,缝隙螺旋天线设计易共形,可安装在各种物体上。这对于国防等工业是一个实用特征,安装在军用车辆和飞机的缝隙螺旋天线可以发挥通信和监视功能。

 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用
螺旋天线实例。图片由 Bin im Garten 拍摄,已获 CC BY-SA 3.0 授权,通过 Wikimedia Commons 共享。

螺旋天线有很多种,最常见的是阿基米德螺旋天线。在本文,我们将讨论利用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的“RF 模块”对此类天线进行模拟。

借助 COMSOL Multiphysics® 评估缝隙螺旋天线的设计

作为第一步,我们将讨论如何绘制由两条阿基米德螺旋线状狭缝构成的缝隙螺旋天线的几何。我们采用参数化曲线,在单面的金属基底上制作出一个螺旋图案。参数化曲线使得我们能够利用数学公式绘制任意形状的曲线。基底是一个完美电导体(perfect electric conductor,简称 PEC),具有很高的导电性,表面的损耗可忽略不计。螺旋狭缝的中心是集总端口,作用是激励天线。

spiral slot antenna geometry 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用
meshing antenna comsol multiphysics 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用

缝隙螺旋天线的几何结构(左图)和网格(右图)。

天线和基底被空气区域和完美匹配层(perfectly matched layer,简称 PML)包围,PML 为上图灰色部分。右图的物理场控制的网格由软件默认生成。根据频域 研究步骤定义的最大频率,最大的网格尺寸被设为 0.2 波长。网格还会通过一些材料属性进行自动缩放,比如介电基底内部的介电常数和磁导率。PML 层采用扫掠网格,沿着径向包含5个网格单元。

查看电磁仿真结果

第一个绘图展示了天线顶面的电场模。该图表明沿缝隙的电场要强于天线表面其余地方的电场,这证实了电场被有效限制在带缝隙的基底上。

第二张是 S 参数的计算结果绘图。结果明确显示,在研究的频率范围内,S11 约为 -10 dB。

electric field norm antenna plot 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用
Spiral slot antennas S parameter plot  电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用

xy 平面上的对数电场模(左图)和 S 参数绘图(右图)。

为了进行远场分析,我们首先创建一个二维极坐标绘图。绘图方便直观查看天线在各种频率下的双向辐射方向图。我们发现,不同频率对应的辐射方向图的形状极其相似。

2D polar plot simulation 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用
yz 平面的极坐标绘图。

最后是研究特定频率(此例为 3 GHz)所对应的三维双向远场辐射方向图。结果表明,沿 z 轴为最大辐射方向。此外,我们发现远场模式具有对称特征。

3D far field radiation pattern electromagnetic model 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用
spiral slot antenna model 电磁仿真在缝隙螺旋天线设计中的应用

3 GHz 下的三维远场辐射方向图(左)和沿天线方向的辐射方向图(右)。

下一步操作

点击下方按钮,尝试自己动手模拟缝隙螺旋天线。进入“案例下载”页面后,登录 COMSOL Access 账号,即可下载 MPH 案例文件和分步操作说明。

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