ヘリカルアンテナの設計

ヘリカルアンテナは、らせん状の導線で構成されています。通常、グランドプレーンはヘリカルアンテナを垂直に保持し、アンテナは技術的にモノポールのように給電されます.ヘリカル アンテナは、通常モードまたは軸モードの 2 つの主要モードのいずれかで動作します。

通常モードでは らせんの寸法は波長に比べて小さく、アンテナは無指向性モノポールとして機能しますが、軸モードではらせんの寸法は波長に匹敵し、アンテナはアンテナの軸に沿って指向性で動作します。

次のヘリカル アンテナは、HFWorks のマルチ構成機能を使用して設計されており、軸モードで 2.45 GHz で動作します。

ヘリックス アンテナは、一定ピッチのアルミナまたは銅線を 3 回以上巻いたものです。これにより、アンテナ軸の方向に円偏波 (LHCP または RHCP のいずれか: 左手または右手の円偏波) 放射と 8dBi を超えるアンテナ ゲインが得られます。
この種の放射線は、大気によって引き起こされる損失と闘う能力が高いため、テレビや衛星通信で見られます。このような円偏波で放射するアンテナは、別の直線偏波アンテナに対して常に 3 dB の電力損失係数 (PLF) を持ちます。この HFWorks チュートリアルでは、ヘリックス アンテナのシミュレーションの主な機能を紹介します。

図 1 -ヘリカル アンテナ モデル (3D SolidWorks ビュー)

シミュレーション

このヘリックス アンテナの動作をシミュレートするために (放射パターンと、ゲイン、指向性などのアンテナ パラメータにもっと関心があります...)、アンテナ スタディを作成し、アンテナが動作する関連する周波数範囲を指定します (この場合は1.9 GHz から 2.3 GHz まで均一に分布する 10 の周波数）。アンテナ シミュレーションでは、このようなシミュレーションに固有の機能である放射境界を放射面に割り当てる必要があります。これらの表面は、アンテナの周囲の空気を切り詰め、電波暗室をシミュレートします。

HFWorks のアンテナ スタディでは、プロットする複数の選択肢とオプションが用意されています。散乱パラメータ シミュレーションで計算された電気パラメータ (挿入、リターン ロスなど) を利用できます。

部材と材料

アンテナ アセンブリの最も重要で特別な部分であるらせんは、通常、銅またはアルミニウムでできています。この金属の導電率は、電場に特定の方向を課します。後者は、らせんの形を継承する円形のようなパターンでこのように分極されます。

らせんの下の固体には、接地金属の役割を果たす PEC (完全な電気伝導体) 境界条件を割り当てる必要があります。これは、マテリアル ブラウザからソリッドに PEC マテリアルを割り当てることで自動的に実現できます。               

負荷/制約

前述のように、アンテナを囲むオープン エアー スペースを切り詰めるために、放射境界を定義する必要があります。これらの境界の位置によって、アンテナの周囲の空気の切断が定義されます。

このアンテナのポート定義は、同軸ケーブルのコネクタと同様に、接地金属の下の丸い表面にあります。らせんはポート面までシリンダーを通過します。したがって、PEC はスイープ シリンダの外面にのみ割り当てられ、ヘリックス ワイヤで埋められた内側の部分には +Signal 境界条件が割り当てられます。 + 信号と PEC 材料は、シリンダーの本体でテフロン材料によって分離されます。

メッシング

アンテナの最も重要な部分はらせん状の導体の形にあります。らせん状の導体は、信頼性の高いマクスウェル方程式の解を得るために便利な割合でメッシュ化する必要があります。丸い形状をメッシュ化すればするほど、ソルバーはそれを認識します。ただし、これは特定の制限を超えてはなりません。一方、ワイヤー信号がラウンド カットを通過するテフロン シリンダーも、細かくメッシュ化する必要があります。次の図のようなメッシュが得られます。

図 2 -ヘリックス アンテナのメッシュ

結果

タスクの性質やユーザーが関心を持っている機能に応じて、さまざまな 3D および 2D プロットを利用できます。アンテナ シミュレーションを扱っているため、放射図のプロットは直感的なタスクのように思えます。次の図は、検討中のアンテナの放射パターンを示しています。

図 3 -ヘリックス アンテナの 3D 放射パターン

この図は、シータ角に関するアンテナの電力放射パターンの変化の等角図 (2D および 3D) を示しています。

このレポートの冒頭で述べたように、HFWorks はアンテナ スタディ内の散乱パラメータも計算します。これは主に、アンテナのマッチング最適化タスクに関連しています。この例では、アンテナは 2.47 GHz で最適に一致しています。

図 4 -アンテナのポートでの反射係数の変化

アンテナ パラメーターのポーラー プロットは、放射電界、放射強度、指向性、ゲイン パターン、軸比など、幅広いパラメーターをカバーしています。アンテナ線;アニメーションは、オメガ t 角度を 0 から 360° まで変化させることによって実現されます。これは、2.47 GHz での電界のベクトル プロットです。

図 5 - 2.45 GHz での近電界ベクトル分布