圓極化天線設(shè)計(jì)的案例
基于HFSS的寬帶圓極化天線設(shè)計(jì)
電磁波的極化特性依據(jù)電場(chǎng)矢量空間軌跡可分為線極化、圓極化和橢圓極化三種基本類型。其中，圓極化波表現(xiàn)為電場(chǎng)矢量端點(diǎn)以恒定幅度作圓周旋轉(zhuǎn)，按旋轉(zhuǎn)方向分為左旋圓極化（LHCP）與右旋圓極化（RHCP）。基于此極化特性設(shè)計(jì)的天線即為圓極化天線，其通過(guò)正交饋電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相位差為90°、幅度相等的兩路線極化波，合成后形成圓極化輻射場(chǎng)。
圓極化天線在現(xiàn)代無(wú)線系統(tǒng)中具有不可替代的核心價(jià)值：抗干擾優(yōu)勢(shì)：可顯著抑制多徑效應(yīng)和法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，提升復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)穩(wěn)定性；極化靈活性：對(duì)收發(fā)天線的空間取向不敏感，避免線極化系統(tǒng)的極化失配損失；關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景：衛(wèi)星通信中克服星體自旋及電離層干擾（如GPS采用右旋圓極化）；雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別利用反向旋向隔離特性增強(qiáng)探測(cè)精度；移動(dòng)通信系統(tǒng)減少雨霧衰減與多徑衰落。其技術(shù)演進(jìn)持續(xù)推動(dòng)高增益寬帶陣列（如超表面天線）與小型化設(shè)計(jì)的發(fā)展，為5G/6G及空天信息網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)支撐。
微帶天線因重量輕、制作成本低等特點(diǎn)被廣泛用于。傳統(tǒng)微帶天線的帶寬窄，微帶天線寬帶化設(shè)計(jì)中，多層法通過(guò)引入多個(gè)輻射貼片與介質(zhì)層構(gòu)建多諧振結(jié)構(gòu)，顯著拓展工作帶寬。其核心原理是利用層間電磁耦合激發(fā)相鄰諧振點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗帶寬的疊加拓寬。本文設(shè)計(jì)了一款工作在3.3-3.87GHz的雙層圓極化天線。首先設(shè)計(jì)了雙饋電的貼片單元，然后用雙層耦合的形式進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬，接著設(shè)計(jì)了小型化寬帶90度電橋，將該電橋和天線集成，實(shí)現(xiàn)了良好的寬帶特性。
關(guān)鍵字：圓極化；微帶天線；寬帶化；小型化。
展開(kāi) 基于HFSS的圓極化陣列天線設(shè)計(jì)
作為無(wú)線通信系統(tǒng)中最為重要的部分之一，天線也得到了飛速的發(fā)展。過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單天線一直發(fā)揮著其穩(wěn)定的作用服務(wù)于無(wú)線通信系統(tǒng)。但是近年來(lái)，由于天線使用平臺(tái)的特殊要求，傳統(tǒng)的單一的線極化天線已經(jīng)不能滿足實(shí)際的要求，圓極化天線越來(lái)越受到人們的重視。
當(dāng)前圓極化微帶天線的研究課題有高增益圓極化天線、雙圓極化微帶天線、寬頻帶圓極化微帶天線等。本文研究設(shè)計(jì)了一個(gè)高增益圓極化微帶天線陣列，工作在中心頻率8.3GHZ。文章的目的是拋磚引玉，希望各位大佬相互借鑒交流學(xué)習(xí)，多多指教。
一 單元天線設(shè)計(jì)
如下圖所示，實(shí)現(xiàn)圓極化的方法有切角等方法，這里不再贅述
本文設(shè)計(jì)的采用經(jīng)典圖1的方法，采用背部饋電，之所以沒(méi)用微帶線饋電，是因?yàn)槲Ь€電流輻射會(huì)影響到天線，采用背部饋電，組成饋電網(wǎng)絡(luò)時(shí)影響最小。單元如下圖下圖是對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的掃描，關(guān)鍵參數(shù)有切角寬度，方形貼片寬度，同軸線位置等，下面只給出貼片長(zhǎng)度對(duì)s11和AR的影響
經(jīng)過(guò)hfss軟件優(yōu)化器的運(yùn)算，得出最優(yōu)解如下圖
二陣列設(shè)計(jì)
單元設(shè)計(jì)完成，接下來(lái)是陣列，根據(jù)陣列理論，影響性能的因素較多，間距，饋電網(wǎng)絡(luò)等都會(huì)產(chǎn)生很大影響，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試，最終陣列為4X4，如下圖
本次設(shè)計(jì)陣列采用雙層基板，基板中間是地板，背面的饋電如下圖，同時(shí)給出電流分布
下面是陣列主要指標(biāo)，s11，AR，增益等
以上三圖可知，諧振點(diǎn)在8.3GHZ左右，軸比AR小于3dB,3dB寬度較窄，SLL在14dB，可以根據(jù)要求調(diào)整陣列，實(shí)現(xiàn)更小的SLL
三 總結(jié)
本文提出一種4X4的陣列，效果較好，容易加工。
最后，有需要?dú)g迎通過(guò)微信公眾號(hào)聯(lián)系我們。
展開(kāi) 基于HFSS設(shè)計(jì)一種新型圓極化天線
隨著衛(wèi)星通信，遙控遙感，雷達(dá)電子戰(zhàn)等技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，圓極化天線的應(yīng)用越來(lái)越多，受到非常高的重視。使用圓極化，是為避免掉發(fā)射與接收天線因極化不匹配的關(guān)系而造成極化損耗，因?yàn)榻邮?em>天線只需要對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線即可，而不需考慮其極化的角度，在應(yīng)用上可以使接收裝置，如RFID或是wireless sensor node的擺放較具彈性。在衛(wèi)星通信時(shí)，電波穿過(guò)大氣層，會(huì)產(chǎn)生極化旋轉(zhuǎn)（法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)），衛(wèi)星通訊多采用圓極化天線。單點(diǎn)饋電的圓極化天線想展寬帶寬還是很困難的，帶寬較寬時(shí)多采用雙饋甚至四饋點(diǎn)，視實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合確定帶寬，一般情況下只要求最大輻射方向的軸比，個(gè)別場(chǎng)合可能對(duì)低仰角的軸比有要求，軸比在HFSS中可以畫(huà)出方向圖，采用球形測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)出軸比的方向圖。
本文設(shè)計(jì)一種新型的圓極化微帶天線，實(shí)現(xiàn)右圓極化，體積小，重量輕，易于制作，可以廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域，本次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)是，與傳統(tǒng)的微帶饋電和同軸線饋電相比，采用先進(jìn)的耦合饋電技術(shù)，這樣易于匹配電路，減少與貼片的耦合（patch），經(jīng)過(guò)hfss軟件的模擬，達(dá)到很好的圓極化效果。此外，本次設(shè)計(jì)的天線，可以進(jìn)行組陣列，實(shí)現(xiàn)載波束，高增益圓極化條件。
一、天線外形
天線采用雙程基板FR4，輻射單元是在圓形導(dǎo)體上開(kāi)槽，一個(gè)十字行的開(kāi)槽，改變電流的軌跡，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)E的90度相位差。
二.表面電流動(dòng)態(tài)圖，可以清楚看出極化的方向
回波損耗S11情況。可以看到，諧振點(diǎn)在1.54G 左右，且低于-30Db，效果良好。
軸比和極化情況，可以在增益圓圖看出，實(shí)現(xiàn)的是右圓極化，且極化效果很好
總結(jié)：本文提出一種新型圓極化設(shè)計(jì)，可以為工程師實(shí)現(xiàn)天線極化要求提供一些參考。
展開(kāi) ANSYS HFSS雙層圓極化微帶天線分析 ￥8.88
ANSYS HFSS雙層圓極化微帶天線分析
最佳實(shí)踐案例12釵，等您來(lái)Pick！
以下為12佳入圍作品，趕緊來(lái)Pick ，選出您心中的【最佳實(shí)踐案例】：
多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)在電動(dòng)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用
洛陽(yáng)光電技術(shù)發(fā)展中心伺服系統(tǒng)所 張昆峰
某型航空產(chǎn)品齒輪箱殼體拓?fù)鋬?yōu)化
航空工業(yè)南京機(jī)電 馬俊升
噴嘴設(shè)計(jì)和噴霧應(yīng)用中的CFD仿真
斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司 沈娟
基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法的高性能圓極化天線聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)
西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張依軒
基于Maxwell的EMI濾波器中器件間互感耦合仿真
美的中央研究院 呂繼方
老裝備撞上新浪潮-基于ANSYSworbench的游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)
大慶石油管理局有限公司裝備制造分公司抽油機(jī)制造分公司 王德威
X型半主動(dòng)減振器動(dòng)態(tài)雙向流固耦合特性研究
KCC中國(guó)有限公司 伍魏明
引射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)
中國(guó)航發(fā)紅林 周探洲
集成導(dǎo)航、2G/3G/4G LTE通信以及WLAN功能的鯊魚(yú)鰭式車載天線
西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 艾壯 李鎮(zhèn)寧 楊萬(wàn)年 王鵬 田超
ANSYS FLUENT在煤加氫氣化工藝開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用
新奧科技發(fā)展有限公司 聶永廣
77GHz 車載毫米波陣列天線設(shè)計(jì)
電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
張忠祥博士、張量
高性能輕量化SIW縫隙陣列天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 劉蕓
點(diǎn)擊我選出你心中的最佳案例！
展開(kāi) 技術(shù)鄰周報(bào)Q17：LS-DYNA/建筑/ABAQUS/沖擊/Ansys/子程序/CFD/電磁/NVH...
7、基于HFSS的圓極化陣列天線設(shè)計(jì)
作者：
320科技工作室
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1826807
當(dāng)下，人類生活的信息時(shí)代正在進(jìn)行著翻天覆地的大變革，無(wú)線通信技術(shù)日新月異，移動(dòng)通信4G時(shí)代的到來(lái)更加推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。作為無(wú)線通信系統(tǒng)中最為重要的部分之一，天線也得到了飛速的發(fā)展。過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單天線一直發(fā)揮著其穩(wěn)定的作用服務(wù)于無(wú)線通信系統(tǒng)。但是近年來(lái)，由于天線使用平臺(tái)的特殊要求，傳統(tǒng)的單一的線極化天線已經(jīng)不能滿足實(shí)際的要求，圓極化天線越來(lái)越受到人們的重視。
8、ABAQUS疑難雜癥之沙漏剛度
作者：
易公子
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1826871
沙漏模式指的是非物理的零能變形模式，簡(jiǎn)而言之有變形沒(méi)有應(yīng)力或應(yīng)變。如果采用單點(diǎn)積分（積分點(diǎn)在等參元中心），在某些情況下節(jié)點(diǎn)位移不為零，即單元有形變，但插值得到的應(yīng)變卻為零。主要出現(xiàn)在CPS4R、CAX4R、C3D8R等線性減縮積分單元中，因?yàn)榫€性減縮積分在每個(gè)方向上只有一個(gè)積分點(diǎn)，應(yīng)變插值后有可能為零。打個(gè)比方說(shuō)，一個(gè)正方體單元變形為等腰梯形，節(jié)點(diǎn)位移相等卻方向相反，各點(diǎn)的形函數(shù)為零，所以插值結(jié)果為零，這樣內(nèi)能計(jì)算結(jié)果也為零，即計(jì)算認(rèn)識(shí)單元沒(méi)有變形，與事實(shí)相反。
展開(kāi) 江蘇省科技廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用高精密陶瓷FDM/FFF 3D打印研制介質(zhì)天線
江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有豐富的3D打印經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)的設(shè)備，工程師們最近利用這些設(shè)備進(jìn)行了一個(gè)新型圓極化介質(zhì)螺旋天線的研制項(xiàng)目。
為了制作理想的介質(zhì)天線，工程師選用了專用于射頻應(yīng)用的低損耗材料——Zetamix Epsilon 7.5陶瓷線材。Nanoe公司推出的Zetamix Epsilon線材是專門針對(duì)電子通信領(lǐng)域，并提供三種不同的介電常數(shù)，分別是2.2,4.5,7.5。打印后可直接使用無(wú)需后續(xù)的脫脂和燒結(jié)，用戶包括泰雷茲集團(tuán)(THALES)等國(guó)際電子高科技公司。
由于需要測(cè)試打印樣件的實(shí)際介電常數(shù)和損耗，工程師要打印具有不同填充密度以及流量率的樣件，為了讓研發(fā)更順暢的推進(jìn)，江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室選擇了運(yùn)行穩(wěn)定的高精度FDM/FFF 3D打印機(jī)Raise3D Pro2。
Pro2最小噴嘴直徑可達(dá)0.2mm，最小層高可精確至0.01 mm，運(yùn)行穩(wěn)定且與Nanoe Zetamix系列耗材高度兼容，可幫助江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在研發(fā)過(guò)程中穩(wěn)定的產(chǎn)出高精度陶瓷部件。
在打印樣件時(shí)，工程師利用了Raise3D生態(tài)系統(tǒng)中的ideaMaker切片軟件對(duì)模型的填充密度進(jìn)行了調(diào)整，最終將打印樣件的相對(duì)介電常數(shù)相應(yīng)地從2變化到6。此外，損耗角正切值的測(cè)試結(jié)果表明，新型Epsilon絲材是一種適用于射頻應(yīng)用的低損耗材料。
在完成樣件測(cè)試后，一個(gè)3D打印的螺旋結(jié)構(gòu)、金屬地板和同軸探針組成的圓極化介質(zhì)螺旋天線被設(shè)計(jì)、加工出來(lái)。
隨后，工程師利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和微波暗室分別對(duì)其阻抗和輻射特性進(jìn)行了測(cè)試。
展開(kāi) NASA“洞察號(hào)”成功著陸火星，仿真帶你了解探測(cè)器中的通訊天線
這個(gè)項(xiàng)目大膽地將螺旋天線應(yīng)用到了一個(gè)它從未涉足的地方：火星。在各種負(fù)責(zé)測(cè)量與傳輸信息的儀器中，著陸器配備有 UHF 螺旋天線，用于與軌道中繼航天器進(jìn)行通信。
InSight Mars 著陸器的繪畫(huà)。圖片來(lái)自 NASA/JPL-Caltech。圖片版權(quán)屬于美國(guó)公有領(lǐng)域，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
許多部署在基礎(chǔ)通信系統(tǒng)中的天線都是線極化，這意味著就電場(chǎng)方向而言，極化被限制在了單個(gè)平面上。圓極化螺旋天線的電場(chǎng)方向可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因?yàn)椴ǖ?em>極化會(huì)在傳播過(guò)程中發(fā)生變化，例如螺旋天線能夠在軸向工作模式中產(chǎn)生圓極化波。RF 仿真可用于優(yōu)化螺旋天線設(shè)計(jì)。
螺旋式增長(zhǎng)：越來(lái)越多的螺旋天線應(yīng)用
螺旋天線以其螺旋幾何形狀命名，它由一根或多根纏繞成螺旋狀的導(dǎo)線構(gòu)成。因其特殊形狀，螺旋天線能夠發(fā)射圓極化場(chǎng)。螺旋天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但功能強(qiáng)大，應(yīng)用豐富，例如智能植入裝置及其他 RFID 設(shè)備使用了極小型天線。
大型螺旋天線常用于無(wú)線電、GPS 和彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)，以及與繞地球和月球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星與太空探測(cè)器之間的外太空通信。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的螺旋天線。圖片版權(quán)屬于美國(guó)公有領(lǐng)域，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
為了優(yōu)化上述應(yīng)用中的螺旋天線設(shè)計(jì)，我們需要了解它們的工作模式。RF 仿真能夠勝任這一任務(wù)。
螺旋天線：兩種工作模式
我們?yōu)槁菪?em>天線添加了兩個(gè)臂（導(dǎo)線），以便解釋它的兩種主要工作模式：
法向
軸向
與單極天線類似的是，法向模螺旋天線也是線極化，但由于后者呈螺旋形，因此相對(duì)更短且更緊湊。如果螺旋的周長(zhǎng)明顯小于波長(zhǎng)，螺距明顯小于四分之一波長(zhǎng)，我們將它歸類為法向模螺旋天線。在法向或垂直輻射模式下，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖與經(jīng)典偶極子天線的圓環(huán)狀方向圖類似。
在軸向或端射輻射模式下，天線會(huì)輻射圓極化波。
展開(kāi) 2018ANSYS 技術(shù)大會(huì)“最佳實(shí)踐案例”獲獎(jiǎng)結(jié)果公布
基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法的高性能圓極化天線聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)
西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張依軒
獲獎(jiǎng)理由：在此最佳實(shí)踐中，作者采用了ANSYS HFSS軟件平臺(tái)與Matlab的聯(lián)合仿真技術(shù)，通過(guò)對(duì)優(yōu)化算法的評(píng)估函數(shù)與進(jìn)化策略研究，使得天線尺寸減小47%的同時(shí)，工作帶寬提升了71%，實(shí)現(xiàn)了圓極化天線高效、高性能的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。作者所提出的HFSS與Matlab的聯(lián)合優(yōu)化仿真技術(shù)，已經(jīng)發(fā)表于多家權(quán)威國(guó)際期刊。
