Разработка спирально-щелевых антенн с использованием вычислительной электродинамики

Caty Fairclough 21/02/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Благодаря своей универсальности и широкополосным частотным характеристикам спирально-щелевые антенны находят многочисленные применения в различных СВЧ-диапазонах. Например, эти антенны используются для беспроводной связи, обнаружения, позиционирования и слежения. Для оптимизации разработки спирально-щелевых антенн инженеры используют электромагнитный анализ, что позволяет точно рассчитать такие характеристики, как S-параметры рассеяния и диаграммы направленности в дальней зоне.

Преимущества спирально-щелевых антенн

Спирально-щелевые антенны имеют ряд преимуществ, в том числе:

  • Почти идеальное циркулярно поляризованное излучение
  • Широкополосная частотная характеристика
  • Возможность поддерживать согласованную диаграмму излучения и импеданс при широкой полосе пропускания

Кроме того, конструкция спирально-щелевых антенн позволяет конформно устанавливать их на различных объектах. Это полезно, например, для оборонного сектора, где спирально-щелевые антенны могут устанавливаться на военных автомобилях и летательных аппаратах для связи и наблюдения.

Фотография спиральной антенны
Пример спиральной антенны. Изображение Bin im Garten — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Существуют различные типы спиральных антенн. Одной из самых распространенных является антенна на основе спирали Архимеда. В данной заметке мы рассмотрим моделирование такой антенны с помощью пакета COMSOL Multiphysics® и модуля расширения Радиочастоты.

Численное моделирование спирально-щелевой антенны с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics®

Сначала рассмотрим геометрию спирально-щелевой антенны, представляющую собой двойную спираль Архимеда. Мы используем параметрические кривые для создания спирального рисунка на подложке с односторонней металлизацией. С помощью параметрических кривых можно задавать кривые произвольной формы, используя математические формулы. Подложка представляет собой идеальный электрический проводник с очень высокой проводимостью и пренебрежимо малыми потерями на поверхности. В центре спиральной щели находится сосредоточенный порт, который используется для возбуждения антенны.

Геометрия модели спирально-щелевой антенны.
Конечно-элементная сетка для модели спирально-щелевой антенны.

Геометрия спирально-щелевой антенны (слева) и конечно-элементная сетка для нее (справа).

Антенна и подложка окружены воздушной областью и идеально согласованными слоями (PML). Последние отмечены серым цветом на изображении (слева) выше. В модели было использовано автоматическое построение сетки (показана справа) на основе настроек физического интерфейса. Максимальный размер ячейки установлен равным одной пятой от длины волны, исходя из величины максимальной частоты, заданной в исследовании типа Frequency Domain. Сетка также автоматически адаптируется, исходя из свойств материала, например, в соответствие с диэлектрической и магнитной проницаемостью диэлектрической подложки. Идеально согласованные слои заполняются пятью элементами протяжкой (сетка типа Swept) вдоль радиального направления.

Анализ результатов электромагнитного расчета

На первом графике показана норма электрического поля на верхней поверхности антенны. На графике видны более интенсивные электрические поля вдоль щели, чем над остальной поверхностью антенны, что подтверждает, что поля хорошо ограничиваются щелевой подложкой.

Далее рассмотрим график рассчитанных S-параметров. Из результатов видно, что в исследуемом диапазоне частот величина S11 составляет примерно -10 дБ.

График нормы электрического поля для спирально-щелевой антенны.
S-параметр для модели спирально-щелевой антенны.

Норма электрического поля в логарифмическом масштабе на плоскости xy (слева) и график параметров рассеяния (справа).

Для анализа в дальней зоне сначала был создан двухмерный график в полярных координатах. На этом графике можно увидеть двунаправленные диаграммы излучения антенны на разных частотах. Можно заметить, что форма диаграммы излучения остается одинаковой для разных частот.

Полярный график диаграммы излучения антенны.
График в полярных координатах в плоскости yz.

Наконец, рассмотрим двунаправленную трехмерную диаграмму излучения в дальней зоне на интересующей нас частоте (в данном случае 3 ГГц). Как следует из результатов, направление максимального излучения соответствует оси z. Можно также отметить симметричнность диаграммы в дальней зоне.

График трехмерной диаграммы излучения в дальней зоне.
Изображение модели спирально-щелевой антенны в COMSOL Multiphysics®.

Трехмерная диаграмма излучения антенны в дальней зоне на частоте 3 ГГц (слева) вместе с антенной (справа).

Дальнейшие шаги

Для того, чтобы начать моделирование спирально-щелевой антенны нажмите кнопку ниже. Вы окажетесь в Галерее приложений, где вы сможете войти в свою учетную запись COMSOL Access и загрузить MPH-файл, а также ознакомиться с пошаговыми инструкциями по сборке модели.

Узнайте больше о моделировании антенн


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Вычислительная гидродинамика Модуль Геометрическая оптика Модуль Динамика многих тел Модуль Композитные материалы Модуль Коррозия Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Теплопередача Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль Электрохимия Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению физика спорта