Contact Us

Helical Antenna Design

HOME / Anwendungen / Helical Antenna Design
WEBINAR
Power-Handling of Electronic Products
Thursday, October 14, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CEST (GMT +2)
03:00 PM
08:00 PM
EDT (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Beschreibung

Eine Spiral- bzw. Wendelantenne ist aus einem spiralförmigen Leiterdraht gebildet. Normalerweise hält eine Grundplatte die Wendelantenne senkrecht und die Antenne wird technisch wie ein Monopol gespeist. Wendelantennen können in einem von zwei Hauptmodi betrieben werden: Normalmodus oder Axialmodus.

Im normalen Modus   Die Abmessungen der Helix sind im Vergleich zur Wellenlänge gering, und die Antenne wirkt als omnidirektionaler Monopol, während im axialen Modus die Abmessungen der Helix mit einer Wellenlänge vergleichbar sind und die Antenne in Richtung der Antennenachse arbeitet.

Die folgende Wendelantenne wurde mit der Multikonfigurationsfunktion von HFWorks entwickelt und arbeitet im axialen Modus mit 2,45 GHz.

Eine Wendelantenne besteht aus mehr als drei Windungen Aluminiumoxid oder Kupferdraht mit konstantem Abstand. Dies ergibt eine zirkular polarisierte (entweder LHCP oder RHCP: dh linke oder rechte zirkulare Polarisation) Strahlung in Richtung der Antennenachse und einen Antennengewinn von mehr als 8 dBi.
Diese Art von Strahlung ist in der Fernseh- und Satellitenkommunikation zu finden, da sie in der Lage ist, die durch die Atmosphäre verursachten Verluste besser zu bekämpfen. Eine solche Antenne, die in einer zirkularen Polarisation emittiert, hat bei einer anderen linear polarisierten Antenne immer einen Leistungsverlustfaktor (PLF) von 3 dB. In diesem HFWorks-Lernprogramm werden die wichtigsten Funktionen zur Simulation einer Helixantenne vorgestellt.

Helix-Antennenmodell (3D-SolidWorks-Ansicht)

Abbildung 1 - Helix-Antennenmodell (3D Solidworks-Ansicht)

Simulation

Um das Verhalten dieser Helix-Antenne zu simulieren (wir interessieren uns mehr für Strahlungsmuster und Antennenparameter wie Verstärkung, Richtwirkung ...), erstellen wir eine Antennenstudie und geben den relevanten Frequenzbereich an, in dem die Antenne arbeitet (in unserem Fall) 10 Frequenzen gleichmäßig verteilt von 1,9 GHz bis 2,3 GHz). Bei einer Antennensimulation müssen den Strahlungsflächen Strahlungsgrenzen zugeordnet werden, die für eine solche Simulation charakteristisch sind. Diese Oberflächen kürzen die Luft, die die Antenne umgibt, und simulieren eine schalldichte Kammer.

Antennenstudien von HFWorks bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten und Möglichkeiten zur Darstellung: Sie ermöglichen die Nutzung elektrischer Parameter, die in Streuparametersimulationen berechnet wurden (Einfügung, Rückflussdämpfung usw.).

Körper und Materialien

Die Wendel, die den wichtigsten und besonderen Teil der Antennenbaugruppe darstellt, besteht normalerweise aus Kupfer oder Aluminium. Die Leitfähigkeit dieses Metalls gibt dem elektrischen Feld eine bestimmte Richtung vor. Letzterer ist auf diese Weise kreisförmig polarisiert, wobei er die Form der Helix übernimmt.

Dem Festkörper unter der Wendel sollte eine PEC-Randbedingung (Perfect Electric Conductor) zugewiesen werden, um die Rolle des Grundmetalls zu spielen. Dies kann automatisch realisiert werden, indem dem Volumenkörper ein PEC-Material aus dem Materialbrowser zugewiesen wird.                

Eingabegrößen und Randbedingungen

Wie bereits erwähnt, müssen wir die Strahlungsgrenzen definieren, um den die Antenne umgebenden freien Luftraum abzuschneiden. Die Positionen dieser Grenzen definieren die Verkürzungen für die die Antenne umgebende Luft.

Die Anschlussdefinition für diese Antenne befindet sich auf einer runden Oberfläche unter dem Erdungsmetall, ähnlich einem Anschluss für ein Koaxialkabel. Die Wendel geht durch den Zylinder bis zur Backbordoberfläche. Daher wird eine PEC nur den Außenflächen des Hubzylinders zugeordnet, während dem inneren Teil, der von dem Wendeldraht ausgefüllt wird, eine + Signal-Randbedingung zugeordnet wird. Die + Signal- und PEC-Materialien werden dann durch ein Teflonmaterial am Körper des Zylinders getrennt.

Vernetzen

Der wichtigste Teil der Antenne liegt in der Form des spiralförmigen Leiters. Letzterer muss mit einer angemessenen Geschwindigkeit ineinandergreifen, um eine zuverlässige Lösung der Maxwell-Gleichungen zu gewährleisten: Je mehr Sie eine runde Form ineinandergreifen, desto mehr wird der Löser erkennen. Dies sollte jedoch eine bestimmte Grenze nicht überschreiten. Andererseits sollte der Teflon-Zylinder, bei dem das Drahtsignal durch den Rundschnitt läuft, auch sehr fein vernetzt werden. Wir erhalten ein Netz wie in Abbildung 2.

Masche der Helixantenne

Abbildung 2 - Netz der Helixantenne

Ergebnisse

Abhängig von der Art der Aufgabe und den Merkmalen, an denen der Benutzer interessiert ist, stehen verschiedene 3D- und 2D-Diagramme zur Verfügung. Da es sich um eine Antennensimulation handelt, scheint das Zeichnen des Strahlungsdiagramms eine intuitive Aufgabe zu sein. Die folgende Abbildung zeigt das Abstrahlmuster der betrachteten Antenne:

Muster der Strahlung 3D einer Schneckenantenne

Abbildung 3 - 3D-Strahlungsmuster einer Helixantenne

Diese Figur zeigt konforme Ansichten (2D und 3D) der Variation des Leistungsstrahlungsmusters der Antenne in Bezug auf den Theta-Winkel.

Wie zu Beginn dieses Berichts erwähnt, berechnet HFWorks die Streuparameter auch in Antennenstudien. Dies ist hauptsächlich für die entsprechenden Optimierungsaufgaben der Antennen relevant. In diesem Beispiel ist die Antenne am besten auf 2,47 GHz abgestimmt:

Variationen des Reflexionskoeffizienten am Antennenanschluss

Abbildung 4 - Variationen des Reflexionskoeffizienten am Antennenanschluss

Die Polardiagramme für die Antennenparameter decken einen weiten Bereich von Parametern ab: ausgestrahltes elektrisches Feld, Strahlungsintensität, Richtwirkung, Verstärkungsmuster, axiales Verhältnis ... usw. Wie bereits erwähnt, können wir die Verteilung des elektrischen Feldes auf dem Feld simulieren, zeichnen und animieren Antennendraht; Die Animation wird durch Variation des Omega-T-Winkels von 0 bis 360 ° realisiert. Dies ist ein Vektordiagramm des elektrischen Feldes bei 2,47 GHz:

Nahe elektrische Feldvektorverteilung bei 2,45 GHz

Abbildung 5 - Nahfeldvektorverteilung bei 2,45 GHz