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永利网站网址电磁仿真大显身手

原标题:电磁仿真大显身手,优化螺旋天线设计

无线电 – 自由空间传播的电磁波 

无线电是指在所有自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,是其中的一个有限频带,上限频率在300GHz(吉赫兹),下限频率较不统一,
在各种射频规范书,
常见的有3KHz~300GHz(ITU-国际电信联盟规定),9KHz~300GHz,10KHz~300GHz。

缝隙螺旋天线拥有多功能性和宽带频率响应特性,因此被广泛用于无线通信、传感、定位、跟踪及许多不同微波频段的应用。为了优化缝隙螺旋天线的设计,工程师们可以利用电磁分析来精确计算诸如
S 参数和远场模式之类的特性。

电磁波

电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,有效的传递能量和动量。

电磁辐射可以按照频率分类,从低频率到高频率,包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。

人眼可接收到的电磁辐射,波长大约在380至780纳米之间,称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。

从科学的角度来说,电磁波是能量的一种,凡是能够释出能量的物体,都会释出电磁波。

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。

 

缝隙螺旋天线的优点

电磁波 – 基本简介

定义

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面,变动的电会产生磁,变动的磁则会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。

 

缝隙螺旋天线拥有以下优点:

产生

电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。举例来说,太阳与地球之间的距离非常遥远,但在户外时,我们仍然能感受到和煦阳光的光与热,这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

其速度等于光速c(每秒3×10的8次方米)。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

 

  • 近乎理想的圆偏振辐射
  • 宽带频率响应
  • 辐射方向图和阻抗能够在大带宽范围内保持不变

运动

通过不同介质时,会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。
编辑本段电磁波的计算
c=λf
c:波速(这是一个常量,c约等于3*永利网站网址,10^8m/s)单位:m/sf:波长单位:mf:频率单位:Hz

 

此外,缝隙螺旋天线设计易共形,可安装在各种物体上。这对于国防等工业是一个实用特征,安装在军用车辆和飞机的缝隙螺旋天线可以发挥通信和监视功能。

性质

电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。举例来说,太阳与地球之间的距离非常遥远,但在户外时,我们仍然能感受到和煦阳光的光与热,这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。
电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。
其速度等于光速c(3×10^8m/s)。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。
电磁波的传播不需要介质,同频率的电磁波,在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大折射率越大,速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播,若同一种介质是不均匀的,电磁波在其中的折射率是不一样的,在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时,会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉,因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

 

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能量

电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定,即S=E×H,其中s为坡印廷矢量,E为电场强度,H为磁

场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系;即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能,单位是W/m2。
电磁波具有能量,电磁波是一种物质。

 

 

 

螺旋天线实例。图片由 Bin im Garten
拍摄,已获 CC BY-SA 3.0 授权,通过 Wikimedia Commons共享。

 

螺旋天线有很多种,最常见的是阿基米德螺旋天线。在本文,我们将讨论利用
COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的“RF 模块”对此类天线进行模拟。

借助 COMSOL Multiphysics®
评估缝隙螺旋天线的设计

作为第一步,我们将讨论如何绘制由两条阿基米德螺旋线状狭缝构成的缝隙螺旋天线的几何。我们采用参数化曲线,在单面的金属基底上制作出一个螺旋图案。参数化曲线使得我们能够利用数学公式绘制任意形状的曲线。基底是一个完美电导体(perfect
electric conductor,简称
PEC),具有很高的导电性,表面的损耗可忽略不计。螺旋狭缝的中心是集总端口,作用是激励天线。

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缝隙螺旋天线的几何结构(上图)和网格(下图)。

天线和基底被空气区域和完美匹配层(perfectly matched layer,简称
PML)包围,PML
为上图灰色部分。右图的物理场控制的网格由软件默认生成。根据频域
研究步骤定义的最大频率,最大的网格尺寸被设为 0.2
波长。网格还会通过一些材料属性进行自动缩放,比如介电基底内部的介电常数和磁导率。PML
层采用扫掠网格,沿着径向包含5个网格单元。

查看电磁仿真结果

第一个绘图展示了天线顶面的电场模。该图表明沿缝隙的电场要强于天线表面其余地方的电场,这证实了电场被有效限制在带缝隙的基底上。

第二张是 S 参数的计算结果绘图。结果明确显示,在研究的频率范围内,S11约为 -10 dB。

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xy 平面上的对数电场模(上图)和 S
参数绘图(下图)。

为了进行远场分析,我们首先创建一个二维极坐标绘图。绘图方便直观查看天线在各种频率下的双向辐射方向图。我们发现,不同频率对应的辐射方向图的形状极其相似。

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yz 平面的极坐标绘图。

最后是研究特定频率(此例为 3
GHz)所对应的三维双向远场辐射方向图。结果表明,沿 z
轴为最大辐射方向。此外,我们发现远场模式具有对称特征。

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3 GHz
下的三维远场辐射方向图(上)和沿天线方向的辐射方向图(下)。

来源:COMSOL中国

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