零基础入门智能射频——Python与HFSS联合仿真之Bilog对数周期天线设计(二)

《零基础入门智能射频》专栏#使用Python+射频搭建一个射频开发架构，将不同的软件连接起来提供一站式服务，提供接口让设计师更专注于业务开发，不再疲惫于学习软件使用操作，让人工智能与射频来一次邂逅，将碰撞出怎样的火花呢，拭目以待吧。

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1 前言

上节我们学习了基本的LPDA天线的设计原理，并实现了Python与HFSS联合仿真，完成了LPDA的建模、参数设置至仿真运行（基于Python的PCB对数周期天线设计(一) |零基础入门智能射频）。下面继续先学习一种新型的LPDA天线获得更宽的带宽与良好的驻波比。

2 Bilog对数周期偶极子天线理论

2.1 BOWTIE天线

蝴蝶结天线可通过简单的加载设计轻松实现工作频段内的阻抗匹配，如图1（a）所示。图中的尾部为这里提到的蝴蝶结天线，它是一种平面天线，其辐射方向为振子平面的法线方向，因此十分合适作为LPDA天线中的加载部分。

蝴蝶结天线最初是由双锥天线演化而言，传统的双锥天线如图1（b）所示，调整夹角可优化电抗部分。

（a）（b）

图1 BOW TIE天线

有限双锥天线的输入阻抗由锥角决定，见下式。

Z_in=Z_c=120lnctg(θ/2)

锥体长度并没有最佳的计算公式，目前可由HFSS辅助设计。

2.2 对数周期偶极子天线设计

从上节可知，目前比较实用的LPDA设计法是由卡雷尔提出的。如图2所示，Ln表示每个偶极子天线的长度，每个天线振子的末端用一条线连接，其延长线相较于一点，其被称为虚拟顶点，夹角为α。从虚拟顶点对每个天线单元的垂直距离由Rn表示，各偶极子间距为Sn，每个振子的直径为dn。

a) 天线结构

b) 增益和τ、σ的关系

图 2 LPDA结构与参数

上图（b）给出了LPDA中增益和τ、σ的关系曲线，可知，调整缩放因子可设置天线的增益，同时高增益必然需要较长的天线。

LPDA各参数如下：

顶角α

式中，τ是比例因子，σ是间隔因子。τ、σ的关系

下式中的频率fn+1与fn是相邻的两个周期， LPDA天线以常数的对数为周期，表明fn+1与fn处天线有相同的性能。

3 Bilog对数周期偶极子天线联合仿真设计

3.1 项目实例

图7所示，在HFSS建立一个300MHz~1000MHz的BilogLPDA。

a)参数计算

按照2.4节的计算公式，首先确定比例因子τ和间隔因子σ，这两个参数同时决定了设计的PCB LPDA天线的尺寸。

步骤如下：

1） τ=0.822、σ=0.149；

2）计算顶角α；

3）确定300MHz的波长和1000MHz的波长；

4）依据上节公式依次计算出各个振子的长度。

将LPDA和双锥天线组合得到最终的天线结构，如图3所示。

图 3 LPDA 天线

b)python建模脚本语言

由计算公式编程python代码，实现复杂的建模过程自动化。本系列将推出视频教程，并结合视频教程提供对应的API接口，供大家学习调用。

部分示例代码如下：

oDesktop = oAnsoftApp.GetAppDesktop()

oProject.InsertDesign("HFSS", "HFSSDesign1", "DrivenModal", "")

oDesign = oProject.SetActiveDesign("HFSSDesign1")

oEditor = oDesign.SetActiveEditor("3D Modeler")

oModule = oDesign.GetModule("BoundarySetup")

oModule = oDesign.GetModule("AnalysisSetup")

oModule.InsertSetup("HfssDriven",

[

"NAME:Setup1",

"AdaptMultipleFreqs:=" , False,

"Frequency:=" , "500MHz",

"MaxDeltaS:=" , 0.02,

"PortsOnly:=" , False,

"UseMatrixConv:=" , False,

"MaximumPasses:=" , 6,

"MinimumPasses:=" , 1,

"MinimumConvergedPasses:=", 1,

"PercentRefinement:=" , 30,

"IsEnabled:=" , True,

"BasisOrder:=" , 1,

"DoLambdaRefine:=" , True,

"DoMaterialLambda:=" , True,

"SetLambdaTarget:=" , False,

"Target:=" , 0.3333,

"UseMaxTetIncrease:=" , False,

"PortAccuracy:=" , 2,

"UseABCOnPort:=" , False,

"SetPortMinMaxTri:=" , False,

"UseDomains:=" , False,

"UseIterativeSolver:=" , False,

"SaveRadFieldsOnly:=" , False,

"SaveAnyFields:=" , True,

"IESolverType:=" , "Auto",

"LambdaTargetForIESolver:=", 0.15,

"UseDefaultLambdaTgtForIESolver:=", True,

"RayDensityPerWavelength:=", 4,

"MaxNumberOfBounces:=" , 5,

"InfiniteSphereSetup:=" , -1,

"SkipSBRSolveDuringAdaptivePasses:=", True

])

oEditor.Delete(

[

"NAME:Selections",

"Selections:=" , "spacing"

])

oModule = oDesign.GetModule("BoundarySetup")

oModule.AssignPerfectE(

[

"NAME:PerfE1",

"Objects:=" , ["element1"],

"InfGroundPlane:=" , False

])

oDesign.SetDesignSettings(

[

"NAME:Design Settings Data",

"Use Advanced DC Extrapolation:=", False,

"Use Power S:=" , False,

"Export After Simulation:=", False,

"Allow Material Override:=", True,

"Calculate Lossy Dielectrics:=", False,

"Perform Minimal validation:=", False,

"EnabledObjects:=" , [],

"Port Validation Settings:=", "Standard"

[

"NAME:Model Validation Settings",

"EntityCheckLevel:=" , "Strict",

"IgnoreUnclassifiedObjects:=", False,

"SkipIntersectionChecks:=", False

])

oModule = oDesign.GetModule("RadField")

oModule.InsertFarFieldSphereSetup(

[

"NAME:Infinite Sphere1",

"UseCustomRadiationSurface:=", False,

"ThetaStart:=" , "0deg",

"ThetaStop:=" , "180deg",

"ThetaStep:=" , "2deg",

"PhiStart:=" , "-180deg",

"PhiStop:=" , "180deg",

"PhiStep:=" , "2deg",

"UseLocalCS:=" , False

])

oModule = oDesign.GetModule("ReportSetup")

oModule.CreateReport("S Parameter Plot 1", "Modal Solution Data", "Rectangular Plot", "Setup1 : Sweep",

[

"Domain:=" , "Sweep"

[

"Freq:=" , ["All"],

"hh:=" , ["Nominal"]

[

"X Component:=" , "Freq",

"Y Component:=" , ["dB(S(1,1))"]

], [])

oModule.CreateReport("Gain Plot 1", "Far Fields", "3D Polar Plot", "Setup1 : LastAdaptive",

[

"Context:=" , "Infinite Sphere1"

[

"Phi:=" , ["All"],

"Theta:=" , ["All"],

"Freq:=" , ["0.5GHz"],

"hh:=" , ["Nominal"]

[

"Phi Component:=" , "Phi",

"Theta Component:=" , "Theta",

"Mag Component:=" , ["dB(GainTotal)"]

], [])

Save()

AnalyzeAll()

c) 仿真结果

下图为集合线表面电流方向，两者呈现相向流动，也就是我们熟知的传输线模式，如图4所示。

图 4 集合线的电流流向

由下式计算出该传输线的阻抗。

式中，D为两者间距，d为集合线的口径。

图5-图8为LPDA的电场分布情况，可看出不同的频率下，相应频率的振子参与谐振。

图 5 0.3GHz 电场分布

图 6 500MHz在电场分布

图7和图8动态的展现了在低端和高端频率下，电场的分布情况，从中可以直观看出低频段主要是较长振子，在高频段则集中于短振子。

图 7 300MHz电场分布

图 8 1GHz在电场分布图

3.2 小结

对数周期天线加载蝴蝶结天线有效扩展天线的工作频段，并将天线尺寸控制在一定的可接受范围内，该型天线的知识点总结如下：

1) 借助合适的附加天线组合，扩展天线工作频段

2) 调整缩放因子可设置天线的增益

3) 调整集合线间距改变天线的阻抗特性

本节仅给出了示例代码，后续将推出PYTHON与HFSS联合仿真的教学视频，并提供相关调用HFSS的Python接口，供大家学习与讨论。

上期文章：基于Python的PCB对数周期天线设计(一) |零基础入门智能射频

作者：江右射频

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