螺旋天线有方向性吗_基于有限元方法的螺旋天线设计
目前,在无线通信和军事通信中,如:山区公路通信、铁路隧道通信,常常需要一种体积小、重量轻、方向性强的圆极化天线,螺旋天线因能满足这些要求而受到重视,并在这个领域发挥了重要的作用。
本文设计基于有限元方法,利用此方法对所设计的螺旋天线进行了仿真、优化设计,得出了一系列有用的数据,并依据设计结果制作天线。通过对天线进行适当的调试和测试,结果表明,在相同条件下,螺旋天线性能优于现有天线,是一种具有广泛应用前景的UHF天线。
2 基本理论
2.1 有限元法
有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。他是20世纪50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法,随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
有限元是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值方法,他是将考察的连续场分割为有限个单元,再用比较简单的函数表示每个单元的解,但并不要求每个单元的试探解都满足边界条件,边界条件并不进入有限元的关系式中,所以对内部和边界都可以采用同样的函数,边界条件只在集合体的方程中引入,其过程比较简单,只需要考虑强迫边界条件。有限元的优点可以总结为:最终求解的线性代数方程组一般为正定的稀疏系数矩阵;特别适合处理具有复杂几何形状物体和边界的问题;便于处理有多种介质和非均匀连续媒质问题;便于计算机上实现,可以做成标准化的软件包。
2.2 螺旋天线特性
2.2.1 一般螺旋天线
螺旋是一种基本的三维几何形式,结合了直线、圆以及柱体等几何形式。将金属导线绕制成一定尺寸的圆柱形螺旋线,其一端处于自由状态,另一端用同轴线内导体馈电,馈电端的金属接地板与同轴线的外导体相连,构成一个圆柱螺旋天线,其结构如图1所示。
图中,D为螺旋直径,a为螺距角,S为螺距,N为圈数,L为螺旋轴向长度,l为螺旋一匝的长度。显然,s=πDtan a,L=NS。根据螺旋线上不同的电流分布,圆柱螺旋天线的辐射状态又可以分为法向、轴向和圆锥形3种辐射状态。其中,轴向辐射状态是指在螺旋天线的轴向有最强的辐射,他具有以下的特点:沿天线轴线方向有最强的辐射,即当D=(0.25~0.46)λ时,即螺旋的圈长在一个波长左右的时候,轴线方向的辐射最大;辐射场是圆极化场;沿螺旋导线传播的电流波是行波,输入阻抗近似地等于纯电阻;频带较宽。基于这些特点,其在宽频带的定向天线中得到了广泛的应用。在这里,根据设计要求(f:800~900 MHz;增益:13 dB;前后比:14 dB;VSWR:不大于1.5),我们采用轴向模螺旋天线,下面着重讨论此种天线。
2.2.2 轴向螺旋天线
螺旋天线工作在轴向模式时,其辐射的情形如端射天线,沿着螺旋天线本身的轴辐射出去。此模式发生在天线的圆周长大约为一个波长的时候。如图2所示。
轴向模螺旋天线可以提供到15 dB左右的稳定增益和圆极化,所以普遍应用在超高频上(UHF)。
当螺旋天线的圈数很少时,天线在3λ/4≤C≤4λ/3的频率范围内表现很好,可提供的带宽比由下式为1.78,且在较长的螺旋天线时,工作频率,f要低于4λ/3。
轴向模螺旋天线的周长约为差1波长,所以任意两相对的端点约为1/2波长,当一个线圈的电流在螺旋天线(如图3所示),原来右端的电流应该向上,因为距离差1/2波长,使得电流相位偏移了180°,在右端的电流因而与左端的电流同相,一起向下,加上任意两个对端的电流相位相同并且电流大小相等又在同一圆轴上,所以产生圆极化。
从以上的叙述了解到,单一线圈可产生圆极化,当天线为多线圈时,每一圈的电流都为同相,如图3所示,其辐射场将沿着天线的轴方向加强辐射,如同阵列天线。
这里给出了一些半经验公式:
(1) 方向增益
相对于各向同性圆极化电源时的增益值,在估算时忽略了副瓣的影响,因而较实测值略大,但通常不会超过1~2 dB。
(2) 波瓣宽度
半功率波瓣宽度和零功率波瓣宽度分别为:
3 数值计算与测试结果分析
3.1 数值优化与仿真
有限元方法的建模过程分为以下几个步骤(如图4所示):
(1) 区域离散
在任何有限元分析中,区域离散是第一步,也是最重要的一步,因为区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精确度。
(2) 插值函数的选择
在每一个离散单元的结点上的值是我们要求的未知量,在其内部其他点上的值是依靠结点值对其进行插值。
(3) 方程组的建立
对Maxwell方程利用变分方法建立误差泛函,对于问题已经离散化为很多个子域的组合,可以首先在每个单元内建立泛函对应的小的线性表达式,其次将其填充到全域矩阵中的相应位置,最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。
(4) 方程组的求解
方程组的求解是有限元分析的最后一步,最终的方程组是下列两种形式之一:
方程式(1)是确定型的,他是从非齐次微分方程或非齐次边界条件或从他们两者兼有的问题中导出的。在电磁学中确定性方程组通常与散射、辐射以及其他存在源或激励的确定性问题有关。而方程(2)是本征值型的,他是从齐次微分方程和齐次边界条件导出的。本征值方程组通常与诸如波导中波传输和腔体中的谐振等无源问题有关。在这种情形下,己知向量{f}为零,矩阵[L]可以写成[A]-λ[B]的形式,这里的λ表示未知的本征值。
经过数值计算,得到满足性能指标的螺旋天线,其天线仿真模型如图5所示,并且得到其在中心频率850 MHz的方向图(图6),从图中可以看出其增益为15 dB,其他数据如表1所示。
3.2 测试结果与仿真结果分析
根据仿真结果,对天线进行加工设计,并进行适当的调试,得到如下的测试结果:
从表1可以看出,仿真结果和测试结果取得了较好的一致,由于在仿真时是一种理想化的设计情况,所以实际测试结果比仿真略低一些,但已完全满足设计指标要求。
4 结语
文章根据圆柱螺旋天线的一些辐射特性,结合有限元方法对轴向模螺旋天线进行了优化和仿真设计,成功设计了一副工作在800~900 MHz频段上的小型化天线。对UHF天线小型化的设计具有一定的现实指导意义,非常适合工程上的需要,并且提高了法向模螺旋天线在现代无线移动通信中的实用价值。
螺旋天线有方向性吗_基于有限元方法的螺旋天线设计相关推荐
- 螺旋天线有方向性吗_什么是四臂螺旋天线?有何优点?
四臂螺旋式天线(Quadrifilar Helix Antenna ) 四臂螺旋式天线一般由四条按特定规则弯曲的金属线条镶于圆柱形陶瓷基材上,无需任何接地.它具备有Zapper天线的特性,也具备有垂直 ...
- 螺旋天线有方向性吗_新型谐振式螺旋天线的工作原理、关键技术及实验结果
一. 引 言 众所周知,天线一直是卫星移动通信和全球定位系统(GPS)的一个技术难点,因为它除了必须满足宽频带.宽波束和圆极化等一系列苛刻的电气性能指标之外,还要做到体积小.重量轻,谐振式四臂螺旋天线 ...
- 螺旋天线有方向性吗_弱弱的问下天线的方向性和极化之间的关系?
想请教一下天线的方向性和极化特性之间有没有什么关系?方向性是天线辐射能量的空间坐标关系,那么圆极化的天线可不可以是定向天线?全向天线可以是线极化天线吗? 方向性是由功率方向图计算的.与极化方向没有关系 ...
- 螺旋天线有方向性吗_无线局域网中的轴向模螺旋天线设计方案
0 引言本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/260148.htm 螺旋天线是一种宽带行波天线,辐射圆极化波.按结构来分有立体螺旋和平面螺旋两种.立体螺旋天线的辐 ...
- 螺旋天线有方向性吗_螺旋天线方向图
luoxuan13度.zip.zip 我画的二臂螺旋天线同轴电缆馈电,得到的方向图是酒杯形状的,而不是半球行的,修改了好多次参数都是这样,这可如何是好,我的模型有问题么?还是哪里出了问题,请帮忙. 怎 ...
- 螺旋天线有方向性吗_螺旋天线设计
天 线 ――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响 一.天线概览 绝大多数天线具有可逆性:即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的. 辐射方向图:表示给定距离下天线的辐射随角度的变化,辐射 ...
- matlab生成随机粗糙表面_基于蒙特卡罗方法的随机粗糙表面仿真
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于蒙特卡罗方法的随机粗糙表面仿真 作者:于小宁 来源:<价值工程> 2017 年第 08 期 摘要: 利用随机粗糙面的相关函数 ...
- python问题化教学设计_基于IPO的Python教学设计
冯艳茹 陈平 摘要:程序设计基础课程是培养大学生解决计算问题的思维和能力的课程,使用Python作为大学生的首门编程语言课程,可操作性强,入门容易,上手快.该文提出了基于IPO的教学设计新思维,使教学 ...
- 基于实战开发垂直搜索引擎_基于DDD的微服务设计和开发实战
作者:欧创新.邓頔.文艺 你是否还在为微服务应该拆多小而争论不休?到底如何才能设计出收放自如的微服务?怎样才能保证业务领域模型与代码模型的一致性?或许本文能帮你找到答案. 本文是基于 DDD 的微服务 ...
最新文章
- 用ASP.NET建立一个在线RSS新闻聚合器(3)
- SXS完全查杀+预防方案2
- 《iPhone与iPad开发实战—iOS经典应用剖析》连载二
- 听说你想去大厂看妹子,带你看看字节跳动Android开发岗面试是啥样?
- SCA (Service Component Architecture)
- 《剑指Offer》 二叉树的镜像
- Linux设置 cockpit 自动开机启动
- nodejs总结之redis模块
- 多线程与多进程(转载)
- linux 在线考试系统下载,在线考试系统-英文版
- wps表格在拟合曲线找点_excel如何拟合曲线方程
- 【转】Steam 开发者收入计算
- 电商数据分析基础指标体系
- 2019数据安装勾选_勾选方式认证发票你不会?整理了最全的操作流程,快来看看吧...
- 用asp.net写的一个购物网站
- threejs炫酷金属样式龙卷风js特效
- ϵ-greedy Policies
- 【Trailhead题目解析】Prepare your salesforce org for users - 5Create Chatter Groups
- 系统学习dede标签
- 在OC项目下实现SwiftMonkey
热门文章
- [青少年CTF]-MISC WP(一)
- 电脑没装PS,只能拿MATLABP个图了
- 【微信】微信获取TOKEN,以及储存TOKEN方法
- opencv自适应尺寸模板匹配
- 【蓝桥杯国赛真题06】python绘制菱形圆环 蓝桥杯青少年组python编程 蓝桥杯国赛真题解析
- stata学习笔记#连玉君老师profile.do文件下载设定 #varlist not allowed
- 两款不错的批量修改文件名的工具软件
- Java实现-循环输入月份,并判断输入的月份属于春夏秋冬哪个季节范围
- 闭包为什么会造成内存泄漏?
- 如何使用python3模拟icmp发包