1

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

การออกแบบ Helix Antenna สายอากาศแบบสงูเกลยีว (Helix Antennas) มีรูปร่างที่โดดเดน่มาก มีสว่นประกอบดงัรูป

สายอากาศแบบสงูเกลยีวนี ้ตา่งจากสายอากาศโมโนโพลคือ คลืน่ท่ีสง่ออกมา จะมีโพลาไรเซชัน่เป็นแบบวงกลม . โดย

จ านวนเกลยีวที่น้อยที่สดุที่คลืน่จะสง่ออกมาเป็นแบบวงกลม คือ 3 เกลยีว. องค์ประกอบและสมการท่ีเกียวข้องแสดงได้

ดงันี.้

2

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

คา่พารามเิตอร์ตา่งๆ นิยามดงันี ้

คือ เส้นผา่นศนูย์กลางของเกลยีว

คือ ความยาวเส้นรอบวงของหนึง่เกลยีว ควรจะอยูใ่นช่วง และ

คือ ระยะหา่งระหวา่งรอบของเกลยีวที่ติดกนั

คือ มมุพิท (Pitch Angle) คา่ทีเ่หมาะสมอยูร่ะหวา่ง 12-14 องศา

คือ จ านวนรอบของเกลยีว

คือ ความสงูของเกลยีว

คือ อินพทุอมพีแดนซ์

คือ เกน (Gain) ของสายอากาศแบบสงูเกลยีว

Ts

h1

D

w

L

3

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

ตวัอย่างการออกแบบสายอากาศแบบสงูเกลียว จากการค านวณสมการท่ี [1] ท าให้ทราบวา่คา่ มีคา่อยูร่ะหวา่ง 93.75-166.7 มิลลเิมตร. ค านวณย้อนกลบัเป็นคา่ D ได้

เป็น 30-54 มิลลเิมตร.

การออกแบบสายอากาศ

1. เปิดโปรแกรม CST Microwave Studio และสร้าง New Project เป็น Couple (Planar,

Microstrip, cpw)

2. สร้างตวัแปลที่เราต้องใช้ ซึง่ได้ค านวนไว้แล้ว

โดยประมาณ

3. สร้าง Helix โดยเร่ิมสร้างสร้าง New Curve โดย

โปรแกรมจะให้เราตัง้ช่ือกลุม่ curve ที่ Navigation tree ด้านซ้าย

4

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

4. สร้างพืน้ท่ีหน้าตดัที่จะใช้หมนุเป็นเกลยีวสงู โดยในตวัอยา่งจะเลอืกพืน้ท่ีหน้าตดัเป็นวงกลม (Circle)

a. สร้าง circle

b. ป้อนต าแหนง่และรัศมีของ circle

ซึง่จะได้ circle ดงัรูปข้างลา่ง

c. ปิดหน้า Circle เพื่อให้เป็นหน้าตดัของลวดทองแดง โดยเลอืกที่ Cover planar

curve ในเมน ูCurve แล้ว Double

click ที่ Circle ที่เราสร้างไว้. ซึง่โปรแกรมจะเด้งหน้าตา่งให้เราเลอืก material

ของวงกลม เราก็เลอืกเป็น copper

(Annealed)

ช่ือพืน้ท่ีหน้าตดัของลวด

ต าแหนง่เร่ิมต้นของพืน้ท่ีหน้าตดั

ช่ือกลุม่ curve ที่เราตัง้

ไว้ก่อนหน้านี ้

รัศมีของ Circle

5

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

*ถ้าไมม่ี copper ให้เลอืก. เราต้องเข้าไปโหลดมาจาก Library ก่อน

d. จากรูปจะเห็นวา่ circle อยูใ่นระนาบ xy

เราจ าเป็นต้องหมนุระนาบของ circle ให้อยูใ่นระนาบ xz เพื่อให้สามารถสร้างหมนุเกลยีวหรือยืดเกลยีวไปตามแกน z

ได้

6

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

5. เมื่อสร้าง Circle และ Cover เสร็จแล้ว เราจะสร้างแกนหมนุส าหรับ Helix ซึง่ในตวัอยา่งนี ้Helix

จะตัง้ตามแกน z . เราจงัจะสร้างแกนหมนุเป็นแกน z ดงันี ้

a. คลกิ Edge from coordinate

b. กด Esc จะขึน้หน้าตา่งให้กรอกพกิดั. จากนัน้กรอก ตรง Z2 เป็น 10 เพือ่สร้างแกนเส้นตรงที่ลากจาก (0, 0, 0) ไป (0,

0 ,10) แล้วกด OK จะได้เส้นสแีดง

c. เลอืก face ของ Circle ที่เราสร้างไว้เพื่อหมนุ

d. เลอืก Circle ที่สร้างไว้ แล้วกด Rotate

กรอกข้อมลูตา่งๆ และจะได้ Helix

ดงัรูป

7

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

6. สร้าง Ground โดยใช้ Create Brick

เร่ิมต้นท่ีคลกิ >> กด Esc แล้วกรอกข้อมลู จะได้ Gnd ดงันี ้

7. สร้าง Substrate ของ Gnd ใช้ Create Brick

เร่ิมต้นท่ีคลกิ >> กด Esc แล้วกรอกข้อมลู จะได้ substrate อยูใ่ต้ Gnd ดงันี ้

8

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

8. เลือ่น Helix ไปตามแกน z ขนาด h1+Ra และตามแกน y ขนาด Ra

ก่อน translate

หลงั translate

9. สร้าง wire ที่เป็นตวัตอ่คัน่ระหวา่ง Helix กบั Gnd

9

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

โดยใช้ Cylinder จะได้ดงันี ้

10. กว้าน Gnd ออกเป็นวงกลม โดยท าดงันี ้a. สร้างวงกลมที่มคีวามหนาเทา่ Gnd ที่

ต าแหนง่ (D/2, 0) คลกิ แล้วกด Esc

เพื่อกรอกตวัเลข จะได้

b. ใช้ Boolean Subtract ในการกว้านออก โดยคลกิ Gnd >> Boolean

Subtract>> Cutter >>OK

10

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

11. เช่ือมระหวา่ง Leg และ Helix โดยใช้ค าสัง่ Loft

a. เลือ่น Helix มาทาง +X ขนาด Ra

b. เลอืก faces ที่ต้องการเช่ือมโดย

*ต้องเลอืก face ของ Leg และ Circle cerve

11

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

12. กด Loft แล้วปรับ smoothness ตามความเหมาะสม

13. เช่ือม Leg, Lofter, Helix เข้าด้วยกนั โดยใช้

Boolean Add

12

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

การวิเคราะห์ผลสายอากาศ

ท าทกุอยา่งเหมือนการวเิคราะห์โมโนโพล โดยสามารถสรุปสัน้ๆ ได้ดงันี ้

14. สร้าง Discrete Port โดยเร่ิมที ่a. Pick point ที่จะให้เช่ือมตอ่ port เข้าไป

b. คลกิ Discrete port แล้วกด OK

15. ตัง้ Frequency range เป็น 0-5 GHz เพราะเราออกแบบที่ความถ่ี 2.4 GHz

*เราสามารถตัง้กว้างๆ กวา่นี ้เพือ่ดรูายละเอยีดมากขึน้

16. ตัง้ Boundary

condition เป็น Open

(Add space) ทัง้หมด

13

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

17. Solve โดยคลกิ Transient Solver แล้วกด OK

*ในระหวา่งการ Solve หากมี Error เตือนวา่ "maximum number of pulse widths simulated ,solve stopped

please note that steady state energy criterion has not been satisfied" ให้เข้าไปปรับตัง้คา่ ก่อนจะ Solve

ใหม.่ โดยการเพิ่ม Maximum number of Pulse ขึน้อีก. กด >> Special >> Steady State.

14

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

เนื่องจากเราต้องการออกแบบทีค่วามถ่ี 2.4 GHz ซึง้ค านวณได้ความยาวคลืน่ 125 มิลลเิมตร. หลกัคร่าวๆ ในการ

ออกแบบคือออกแบบให้คา่ C เข้าใกล้ . เมื่อสร้าง Helix Antenna หรือ Helical Antenna เสร็จแล้วจะได้ดงัรูป

15

By P. Buapan MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU

จะเห็นได้วา่ ผล S11 ไมค่อ่ยดี. เราสามารถปรับปรุงให้ดีขึน้ได้ด้วยการพิจารณา Impedance Matching และใช้สมการท่ี

แมน่ย ายิ่งขึน้. อกัทัง้คา่ สามารถปรับใหมไ่ด้ ซึง่จะอยูใ่นชว่ง และ

(ได้ แล้วค านวนหาคา่ เพื่อสร้าง)