仿真改进了双圆锥天线的设计

2015年 2月 4日

许多需要进行电磁兼容性合规测试的产品都采用了双圆锥天线。这类天线具备重要的宽带特性,有助于进行此类测试。我们将探讨如何通过仿真来确保这一点。

双圆锥天线简介

双圆锥天线是一种宽带天线,由两个圆锥形状的导电物体构成。这些宽带偶极天线具备一个典型特征,那就是拥有三个或更多的倍频程带宽。是什么使这类天线具备了如此宽的带宽呢?这要归因于天线的结构,具体地说,就是天线的两个对称辐射锥。

双圆锥天线因其在电磁兼容性 (EMC) 测试中的应用而知名。该项测试确保产品遵守了管理机构发布的电磁兼容性合规指南。因此,这些天线必须拥有宽带特性,以满足这些合规指南。

为了保证天线的设计能够满足这些要求,我们可以借助仿真的力量。

模拟电源

我们案例库中的双圆锥天线模型包括两个圆锥形金属辐射单元,以及位于中心处的电介质填充共轴馈源结构。天线电源位于结构中一个小圆柱形域中,不属于模拟域。

作为替代,电源可通过在面向同轴电缆的边界处设置同轴集总端口边界条件进行模拟。这将带来一个沿同轴电缆向下发射的波。完美匹配层用于截断天线周围的自由空间区域。


双圆锥天线模型。

电线作为完美电导体模拟,用于将同轴内部和外部的导体连接至圆锥辐射体。每个圆锥内都有一个小的对称切除空间,便于为后续的安装与组装预留足够的空间。辐射体与圆锥尾端表面区域的距离决定了天线输入端口的电抗。对这一距离的更改将改变天线的性能。

天线带宽及辐射样式

第一幅图重点显示了双圆锥天线的频率响应。结果表明由于 S11 在 1.5 GHz 到 3.5 GHz 的范围内小于 -10 dB,其带宽明显宽于传统偶极天线。该介绍性示例模型仅模拟了一个倍频程的带宽。

频率响应图。
频率响应。

我们随即将关注点转向了天线的辐射模式。仿真结果显示了 1.9 GHz 下 E 平面(蓝色显示)和 H 平面(绿色显示)中的远场辐射模式。所得模式等同于偶极天线的辐射模式。

辐射模式与偶极天线相同。
远场辐射模式。

结束语

这里介绍的模型显示,双圆锥天线非常适合需要兼具全向辐射模式和较高带宽的应用。在即将发布的 COMSOL Multiphysics 5.1 版本中,我们会收入本模型的商用外观,类似下图所示的产品。请继续保持关注!

双圆锥微波天线图片。
双圆锥微波天线。(“小型双圆锥微波天线 (SBA 9113: 0.5 – 3 GHz,SBA 9112: 1 – 18 GHz)”,图片为 Schwarzbeck Mess-Elektronik 自行拍摄。已获得 Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 授权,并通过 Wikimedia Commons分享。)

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