192 434 Microwave Engineering 1 Dr. Nantakan Wongkasem

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

การออกแบบ Helix Antenna สายอากาศแบบสงูเกลียว (Helix Antennas) มีรูปร่างท่ีโดดเดน่มาก มีสว่นประกอบดงัรูป

สายอากาศแบบสงูเกลียวนี ้ตา่งจากสายอากาศโมโนโพลคือ คล่ืนท่ีสง่ออกมา จะมีโพลาไรเซชัน่เป็นแบบวงกลม . โดย

จ านวนเกลียวท่ีน้อยท่ีสดุท่ีคล่ืนจะสง่ออกมาเป็นแบบวงกลม คือ 3 เกลียว. องค์ประกอบและสมการท่ีเกียวข้องแสดงได้

ดงันี.้

192 434 Microwave Engineering 2 Dr. Nantakan Wongkasem

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

คา่พารามเิตอร์ตา่งๆ นิยามดงันี ้

คือ เส้นผา่นศนูย์กลางของเกลียว

คือ ความยาวเส้นรอบวงของหนึ่งเกลียว ควรจะอยู่ในช่วง และ

คือ ระยะห่างระหวา่งรอบของเกลียวท่ีตดิกนั

คือ มมุพทิ (Pitch Angle) คา่ท่ีเหมาะสมอยู่ระหวา่ง 12-14 องศา

คือ จ านวนรอบของเกลียว

คือ ความสงูของเกลียว

คือ อินพทุอมพีแดนซ์

คือ เกน (Gain) ของสายอากาศแบบสงูเกลียว

Ts

h1

D

w

L

192 434 Microwave Engineering 3 Dr. Nantakan Wongkasem

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

ตวัอย่างการออกแบบสายอากาศแบบสงูเกลียว จากการค านวณสมการท่ี [1] ท าให้ทราบว่าคา่ มีคา่อยู่ระหวา่ง 93.75-166.7 มลิลเิมตร. ค านวณย้อนกลบัเป็นคา่ D ได้

เป็น 30-54 มลิลเิมตร.

การออกแบบสายอากาศ

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

Microstrip, cpw)

2. สร้างตวัแปลท่ีเราต้องใช้ ซึ่งได้ค านวนไว้แล้ว

โดยประมาณ

3. สร้าง Helix โดยเร่ิมสร้างสร้าง New Curve โดย

โปรแกรมจะให้เราตัง้ช่ือกลุม่ curve ท่ี Navigation tree ด้านซ้าย

4. สร้างพืน้ท่ีหน้าตดัท่ีจะใช้หมนุเป็นเกลียวสงู โดยในตวัอย่างจะเลือกพืน้ท่ีหน้าตดัเป็นวงกลม (Circle)

a. สร้าง circle

192 434 Microwave Engineering 4 Dr. Nantakan Wongkasem

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

b. ป้อนต าแหน่งและรัศมีของ circle

ซึ่งจะได้ circle ดงัรูปข้างลา่ง

c. ปิดหน้า Circle เพ่ือให้เป็นหน้าตดัของลวดทองแดง โดยเลือกท่ี Cover planar

curve ในเมน ูCurve แล้ว Double

click ท่ี Circle ท่ีเราสร้างไว้. ซึ่งโปรแกรมจะเด้งหน้าตา่งให้เราเลือก material

ของวงกลม เราก็เลือกเป็น copper

(Annealed)

*ถ้าไม่มี copper ให้เลือก. เราต้องเข้าไปโหลดมาจาก Library ก่อน

ช่ือพืน้ท่ีหน้าตดัของลวด

ต าแหน่งเร่ิมต้นของพืน้ท่ีหน้าตดั

ช่ือกลุม่ curve ท่ีเราตัง้

ไว้ก่อนหน้านี ้

รัศมีของ Circle

192 434 Microwave Engineering 5 Dr. Nantakan Wongkasem

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

d. จากรูปจะเห็นวา่ circle อยู่ในระนาบ xy

เราจ าเป็นต้องหมนุระนาบของ circle ให้อยู่ในระนาบ xz เพ่ือให้สามารถสร้างหมนุเกลียวหรือยืดเกลียวไปตามแกน z

ได้

5. เม่ือสร้าง Circle และ Cover เสร็จแล้ว เราจะ

สร้างแกนหมนุส าหรับ Helix ซึ่งในตวัอย่างนี ้Helix

จะตัง้ตามแกน z . เราจงัจะสร้างแกนหมนุเป็นแกน z ดงันี ้

a. คลกิ Edge from coordinate

b. กด Esc จะขึน้หน้าตา่งให้กรอกพกิัด. จากนัน้กรอก ตรง Z2 เป็น 10 เพ่ือสร้างแกนเส้นตรงท่ีลากจาก (0, 0, 0) ไป (0,

0 ,10) แล้วกด OK จะได้เส้นสีแดง

192 434 Microwave Engineering 6 Dr. Nantakan Wongkasem

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

c. เลือก face ของ Circle ท่ีเราสร้างไว้เพ่ือหมนุ

d. เลือก Circle ท่ีสร้างไว้ แล้วกด Rotate

กรอกข้อมลูตา่งๆ และจะได้ Helix

ดงัรูป

192 434 Microwave Engineering 7 Dr. Nantakan Wongkasem

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 อยู่ใต้ Gnd ดงันี ้

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

192 434 Microwave Engineering 8 Dr. Nantakan Wongkasem

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

ก่อน translate

หลงั translate

9. สร้าง wire ท่ีเป็นตวัตอ่คัน่ระหวา่ง Helix กบั Gnd

โดยใช้ Cylinder จะได้ดงันี ้

10. กว้าน Gnd ออกเป็นวงกลม โดยท าดงันี ้

192 434 Microwave Engineering 9 Dr. Nantakan Wongkasem

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

a. สร้างวงกลมท่ีมีความหนาเท่า Gnd ท่ี

ต าแหน่ง (D/2, 0) คลกิ แล้วกด Esc

เพ่ือกรอกตวัเลข จะได้

b. ใช้ Boolean Subtract ในการกว้านออก โดยคลกิ Gnd >> Boolean

Subtract>> Cutter >>OK

11. เช่ือมระหวา่ง Leg และ Helix โดยใช้ค าสัง่ Loft

a. เล่ือน Helix มาทาง +X ขนาด Ra

192 434 Microwave Engineering 10 Dr. Nantakan Wongkasem

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

b. เลือก faces ท่ีต้องการเช่ือมโดย

*ต้องเลือก face ของ Leg และ Circle cerve

12. กด Loft แล้วปรับ smoothness ตามความเหมาะสม

192 434 Microwave Engineering 11 Dr. Nantakan Wongkasem

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

13. เช่ือม Leg, Lofter, Helix เข้าด้วยกนั โดยใช้

Boolean Add

192 434 Microwave Engineering 12 Dr. Nantakan Wongkasem

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

การวิเคราะห์ผลสายอากาศ

ท าทกุอย่างเหมือนการวเิคราะห์โมโนโพล โดยสามารถสรุปสัน้ๆ ได้ดงันี ้

14. สร้าง Discrete Port โดยเร่ิมท่ี

a. Pick point ท่ีจะให้เช่ือมตอ่ port เข้าไป

b. คลกิ Discrete port แล้วกด OK

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

*เราสามารถตัง้กว้างๆ กวา่นี ้เพ่ือดรูายละเอียดมากขึน้

16. ตัง้ Boundary

condition เป็น Open

(Add space) ทัง้หมด

192 434 Microwave Engineering 13 Dr. Nantakan Wongkasem

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

17. Solve โดยคลกิ Transient Solver แล้วกด OK

*ในระหว่างการ 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.

192 434 Microwave Engineering 14 Dr. Nantakan Wongkasem

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

เน่ืองจากเราต้องการออกแบบท่ีความถ่ี 2.4 GHz ซึง้ค านวณได้ความยาวคล่ืน 125 มลิลิเมตร. หลกัคร่าวๆ ในการ

ออกแบบคือออกแบบให้คา่ C เข้าใกล้ . เม่ือสร้าง Helix Antenna หรือ Helical Antenna เสร็จแล้วจะได้ดงัรูป

192 434 Microwave Engineering 15 Dr. Nantakan Wongkasem

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

จะเห็นได้วา่ ผล S11 ไมค่อ่ยดี. เราสามารถปรับปรุงให้ดีขึน้ได้ด้วยการพจิารณา Impedance Matching และใช้สมการท่ี

แมน่ย ายิ่งขึน้. อกัทัง้คา่ สามารถปรับใหมไ่ด้ ซึ่งจะอยู่ในช่วง และ

(ได้ แล้วค านวนหาคา่ เพ่ือสร้าง)