1 前言
目前，仿真軟件ANSOFT HFSS的計(jì)算精度和效率不斷提高。但是要建某些陣列天線或其他復(fù)雜函數(shù)線構(gòu)成的天線，操作工作量會(huì)增大，檢查錯(cuò)誤和修改模型都較困難。HFSS提供了基于VBScript的宏命令來(lái)進(jìn)行軟件的二次開(kāi)發(fā)。采用HFSS的VBscript宏能方便模型的建立和修改，提高工作效率。通過(guò)VBScript可以建立HFSS仿真模型，也可控制HFSS包括材料設(shè)置、邊界設(shè)置、激勵(lì)設(shè)置、求解設(shè)置等所有操作。
對(duì)數(shù)周期偶極子天線（log-periodic dipole antenna），由于其工作頻帶寬、增益高、前后比好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在短波、超短波、微波等波段的通信、側(cè)向、偵察、電子對(duì)抗等方面得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)對(duì)數(shù)周期天線的分析，編寫(xiě)了基于VBscript的程序，通過(guò)外部輸入初始參數(shù)，自動(dòng)建立HFSS仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。
2 對(duì)數(shù)周期天線的基本分析
圖1 對(duì)數(shù)周期天線的幾何結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示，對(duì)數(shù)周期天線由N根平行排列的偶極子構(gòu)成，它們都連接在一對(duì)雙線傳輸線上，饋源接在最短振子一端，相鄰兩振子交叉饋電。為了減小電磁波在終端的反射以改善天線在低頻段的電特性，可在最長(zhǎng)振子端接一短路支節(jié)或匹配負(fù)載。LPDA有3個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)：比例因子г、間距因子σ、張角α，只要知道其中的任意2個(gè)就可以確定天線的幾何結(jié)構(gòu)，它們的定義如下：
式中d表示相鄰振子的間距，L為振子全長(zhǎng)，R為天線幾何定點(diǎn)O到振子的垂直距離，a為振子的半徑。
理論上的工作帶寬由比值l1/ln確定，通常稱此比值為為結(jié)構(gòu)帶寬Bs。實(shí)際工作帶寬B應(yīng)小于Bs，即B=Bs/Bar。當(dāng)τ≥0.875時(shí)，近似計(jì)算式為Bar≈1.1+30.7σ(1-τ)。通常Bar≈1.5□2.5。對(duì)數(shù)周期天線振子數(shù)目為N=1+lnBs/ln(1/τ)。
2.1 對(duì)數(shù)周期天線的建模
設(shè)計(jì)一個(gè)微帶貼片形式的對(duì)數(shù)周期天線。
需要輸入的參數(shù)有：工作的最高頻率fH、和工作的最低頻率fL，以及比例因子г、間距因子σ。同時(shí)應(yīng)給出最末端振子（或初始端振子）的振子寬度W1。
通過(guò)初始輸入?yún)?shù)，根據(jù)對(duì)數(shù)周期天線的理論分析，采用VB語(yǔ)言或者M(jìn)atlab語(yǔ)言等進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，得到對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。包括天線的振子個(gè)數(shù)，各個(gè)振子的長(zhǎng)度信息，各個(gè)振子的位置信息等。
利用Ansoft HFSS的強(qiáng)大的宏語(yǔ)言命令，基于VBscript語(yǔ)言編寫(xiě)程序。將對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息導(dǎo)入，建立HFSS 的仿真模型。
程序編寫(xiě)好后，通過(guò)簡(jiǎn)單的初始參數(shù)的輸入，便能建立不同振子個(gè)數(shù)和不同尺寸的天線仿真模型。利用HFSS的宏語(yǔ)言，根據(jù)所需的頻帶范圍要求，輕松的建立仿真模型，并得到結(jié)果。同時(shí)，還可省去在HFSS中修改模型和增減振子個(gè)數(shù)的操作。
設(shè)置工作的最高頻率fH=2.2GHz，工作的最低頻率fL=0.35GHz，比例因子г=0.83、間距因子σ=0.083，最末端振子的振子寬度W1=30mm。采用VBscript語(yǔ)言建立的對(duì)數(shù)周期天線的仿真模型如圖2所示。天線的寬度l1=508mm，天線的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=532mm。天線介質(zhì)采用Arlon AD270，厚度為h=3mm，相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.7。
圖2 對(duì)數(shù)周期天線的仿真模型圖
2.1.1 天線模型的仿真結(jié)果
采用Ansoft HFSS對(duì)對(duì)數(shù)周期天線仿真模型進(jìn)行仿真分析。天線的駐波曲線圖如圖3所示。
圖3 駐波曲線圖
天線典型頻點(diǎn)的E面和H面方向圖如圖4～圖9所示。
圖4 E面方向圖(0.35GHz)
圖5 H面方向圖(0.35GHz)
圖6 E面方向圖(1.15GHz)
圖7 H面方向圖(1.15GHz)
圖8 E面方向圖(1.95GHz)
圖9 H面方向圖(1.95GHz)
從仿真結(jié)果可以看出，在頻率0.35GHz～2.2GHz范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)周期天線駐波小于2。在工作頻段內(nèi)，天線的增益在5dBi左右。
對(duì)于具體應(yīng)用平臺(tái)，需要壓縮對(duì)數(shù)周期天線的y向尺寸，可以考慮將振子彎折來(lái)實(shí)現(xiàn)目的。手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)和建立模型就顯得比較復(fù)雜。利用HFSS的宏語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，可以方便的實(shí)現(xiàn)彎折振子的對(duì)數(shù)周期天線模型的建立。可以根據(jù)根據(jù)需要調(diào)節(jié)彎折振子的寬度，振子的彎折數(shù)、彎折的角度等等參數(shù)。如圖10為一個(gè)對(duì)第5～9號(hào)振子進(jìn)行彎折的對(duì)數(shù)周期天線仿真模型。
圖10 振子彎折的對(duì)數(shù)周期天線仿真模型
3 結(jié)論
通過(guò)Ansoft HFSS提供的宏語(yǔ)言，對(duì)軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)要求頻帶的對(duì)數(shù)周期天線。通過(guò)輸入初始目標(biāo)，自動(dòng)建立了天線仿真模型。仿真結(jié)果顯示了天線的良好性能。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的工程問(wèn)題，相較于傳統(tǒng)建模而言，通過(guò)宏語(yǔ)言能夠更方便的解決一些規(guī)模大、具有一定規(guī)律的問(wèn)題，并更加便于進(jìn)行結(jié)果的處理和模型的修改。
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