基于GEMS對Ku波段螺旋陣列天線的設(shè)計優(yōu)化

彭 樺，吳玉成，于 璽，楊建航

(1.重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶 400044;2.中海油信息科技有限公司，廣東深圳 518067;3.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024)

0 引言

Ku波段(12 GHz)衛(wèi)星電視廣播是1977年世界無線電行政會議(WARC)推薦優(yōu)先使用的波段，由于Ku波段的工作頻率比C波段要高3倍，全向等效輻射功率(EIRF)比C波段要大20 dB左右，因而使得Ku波段衛(wèi)星電視廣播的優(yōu)越性更加突出，特別是近年來我國直播衛(wèi)星的快速發(fā)展，對于Ku波段衛(wèi)星接收天線技術(shù)指標(biāo)提出了一些新的要求。

用于衡量衛(wèi)星電視直播接收的天線的性能指標(biāo)主要是定向性、高效率及抗雨衰。該文利用平面結(jié)構(gòu)天線的優(yōu)點改善其整體性能。通過在基于FDTD算法的電磁仿真軟件GEMS環(huán)境下的測試仿真，借助仿真確定天線陣列的幾何參數(shù)，并根據(jù)仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行分析加工和重設(shè)計，優(yōu)化天線陣的設(shè)計以組成更大的天線陣列。

1 天線的設(shè)計仿真及優(yōu)化

在信息傳播應(yīng)用技術(shù)高速發(fā)展的今天，使用傳統(tǒng)的實物制作測試再校正的方式已漸漸無法適應(yīng)現(xiàn)代天線工程設(shè)計的需求。借助計算機輔助設(shè)計軟件，利用數(shù)值計算分析方法進行天線的模擬仿真驗證，正逐步成為目前天線工程領(lǐng)域所廣泛采用的方式，極大地縮減了從設(shè)計到實現(xiàn)所需的時間和成本［1］。當(dāng)前電磁學(xué)領(lǐng)域使用較多的方法主要有基于頻域的計算方法和基于時域的計算方法，當(dāng)前，發(fā)展最快、關(guān)注最多的當(dāng)數(shù)時域有限差分方法(FDTD)，F(xiàn)DTD算法及其主要公式見參考文獻［2］。

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常，Ku波段螺旋陣列天線的設(shè)計的總目標(biāo)是在指定的工作頻率上得到特定的工作特性。為使Ku波段螺旋陣列天線達到這個總目標(biāo)，首先是選擇合適貼片的幾何形狀。在沒有特殊要求的情況下，首選矩形貼片，這是因為Ku波段螺旋陣列天線的設(shè)計不僅設(shè)計簡單，制造工藝也不復(fù)雜，并且還有一系列比較成熟的理論作為研究依據(jù)［3］。采用的天線結(jié)構(gòu)圈數(shù) N=2 ，螺距角為 40［4，5］。螺旋為右旋螺旋，螺旋線周長C=25 mm=1 λ;螺旋線軸距S=1.75 mm;螺旋線導(dǎo)線的直徑為d=1 mm。螺旋開始處距離金屬的距離為h，通過調(diào)節(jié)h，可以優(yōu)化螺旋陣元的圓極化。在確定天線單元形狀及尺寸以后，主要的任務(wù)就是將天線組成相應(yīng)的陣列。

在該設(shè)計中將逐漸增大天線陣的陣元數(shù)目，通過陣元數(shù)目的增加來提高天線的增益特性［3］。設(shè)計2圈螺旋天線陣的示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 2圈螺旋天線陣結(jié)構(gòu)圖(側(cè)視)

圖2 2圈螺旋天線陣結(jié)構(gòu)圖(俯視)

1.2 天線單元的仿真

在實際仿真開始之前，需為天線模型新建一個求解設(shè)置項目，用于設(shè)定模型的仿真求解參數(shù)。由于HFSS軟件采用自適應(yīng)迭代算法，因此有限元求解的精度與計算時間成反比。而所需的計算時間也與運行軟件的計算機的計算能力有很大關(guān)系。常規(guī)的Ku波段直播衛(wèi)星(DBS)接收天線的頻帶為11.7～12.2 GHz，所以，其中心頻率為 11.95 GHz，螺旋工作接近12 GHz，可以設(shè)λ≈25 mm，螺旋直徑D=4 mm，h=1 mm進行仿真。直徑D和參數(shù)h的最終數(shù)值，是通過參考大量仿真得出的［6］，下面給出幾組典型的仿真曲線。

圖3顯示隨著螺旋直徑的減小，螺旋軸比曲線最低點向高頻率移動，最小值基本保持不變，在1dB以下，證明了螺旋天線能夠輻射較好的圓極化波;D=7.6 mm時，軸比在12 GHz附近取得最小值，且在11.7～12.2 GHz頻段內(nèi)有獲得較好的軸比。圖4顯示h＞0.8 mm，隨著h的變大，軸比最小值向低頻移動，低于12.7 GHz，且最小值在不斷變大，即螺旋天線輻射電磁波的圓極化純度在惡化。

圖3 螺旋直徑D改變對螺旋陣元軸比(AR)的影響

圖4 參數(shù)h對螺旋陣元軸比(AR)的影響

結(jié)合以上結(jié)果，設(shè)定螺旋直徑D=7.6 mm，h=0.8 mm，對螺旋單元進行仿真。圖5進一步證明了螺旋直徑D=7.6 mm，h=0.8 mm時，螺旋單元在最大輻射方向獲得良好的圓極化。

圖5 螺旋單元在12 GHz時仿真輻射方向圖

圖6的仿真結(jié)果可得到，D=7.6 mm，h=0.8 mm時，軸比帶寬(AR小于3 dB)為11.5 ～13 GHz。天線單元增益大概在10 dB左右，滿足設(shè)計的要求。

圖6 螺旋陣元軸比(AR)頻響曲線和增益頻響曲線

2 基于仿真的性能測試及結(jié)果

2.1 性能測試過程

基于螺旋單元尺寸D=7.6 mm，h=0.8 mm，按照仿真尺寸加工了7圈天線陣列，利用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀，對實物進行測量。7圈螺旋陣列天線(168個陣元)的測試結(jié)果如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 天線陣在12 GHz時XOZ平面方向圖

圖8 天線陣在12 GHz時YOZ平面方向圖

圖9 天線陣的軸比測量

圖10 螺旋陣列回波損耗實測結(jié)果

2.2 實驗結(jié)果分析

因Ku波段頻率較高，這個頻段天線尺寸較小，對加工精度要求較高。天線陣元的測量結(jié)果抖動較大，由天線單元的仿真可知，0.1 mm的差距也會使天線的諧振頻率造成一定偏移。因此天線工作頻帶的偏移一方面原因來自于加工精度，多加注意。

3 結(jié)束語

使用GEMS對選用的天線單元進行設(shè)計、仿真和分析，通過調(diào)試得到了優(yōu)化的結(jié)果。最后由168個陣元組成7圈螺旋陣列天線，經(jīng)過測量后，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實測結(jié)果有偏差，并對其做了誤差分析，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)重新設(shè)計了天線陣，經(jīng)過加工并測試，結(jié)果基本符合設(shè)計要求。

［1］王洪.電磁仿真軟件HFSS在天線設(shè)計中的應(yīng)用［J］.福建電腦，2010(9):20-21.

［2］葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］趙軍倉.C波段微帶陣列天線的設(shè)計分析［J］.計算機測量與控制，2007，15(6):780-785.

［4］LI Zeng-rui，YANG Jian-hang，GUO Qin-xin，et al.A Low-Profile Helix Array Antenna for DBS［C］∥2011 International Conference on Microwave Technology and Computational Electromagnetics，2011:25-28.

［5］HONMA T.Extremely Low-Profile Helix Radiating a Circularly Polarized Wave［J］.IEEE Trans.Antenna Propagat.，1991，39:754-757.

［6］NAKANO H，TAKEDA H，KITAMURA Y，et al.Low-profile Helical Array Antenna Fed from a Radial Waveguide［J］.IEEE Trans.Antenna Propagat.，1992，40:279-284.