一種基于人工磁導體的低剖面螺旋天線研究

朱雨薇

【摘要 】 移動互聯網影響移動網絡服務以“語音”為中心到“數據”為中心的轉變，導致整個電信產業結構發生巨大變化。特別是定位技術的大規模使用，使得系統對天線的要求趨于高增益、小型化、圓極化[1-3]。本文提出一種半球形螺旋天線具有低剖面、圓極化的特點，用人工磁導體做反射面。經優化，該天線的中心頻率在2.81GHz，波瓣寬度BW=105°，軸比AR=0.493滿足圓極化條件。此外，天線峰值增益高達9.725dBi，證明了該天線的可行性。

【關鍵字】 圓極化 低剖面 螺旋天線 人工磁導體

This research investigates a low profile circularly hemispherical helical antenna above an artificial magnetic conducting surface. The hemispherical helical antenna gives a wider bandwidth than other antennas， for example micro strip antenna. When compare with that antenna over perfectly electrical conducting， its radiation is better. This thesis researched 3-turns and 5-turns helix above AMC and PEC surface， the result shows AMC ground plane could increase antenna radiation pattern， power gain and optimise the axial ratio.

The simulation software CTS （Computer simulation Technology） MICROWAVE STUDIO （CST MWS） will be used to design and simulate the hemispherical antenna structure， which will carry out the required results. Last but not least， optimization is a vital procedure， the performance will be better after this stage.

KEY WORDS： helical antenna，low profile， circularly polarization， Artificial electromagnetic materials

由于移動互聯網的大勢發展，使得用戶對通信質量的要求越來越高。更為重要的是“4G時代移動互聯網的時間、地點、流量、應用差異化會帶來愈發明顯的流量突發性，一個基站，早、中、晚，甚至每時每刻負載量都存在巨大差異。”康普無線解決方案部銷售總監王勝說。而作為基站的一部分，天線也將隨之發生變化。雖然說，天線的成本不及基站的百分之三，但是天線的性能好壞直接影響著基站的性能。傳統天線用理想電導體（PEC）做反射材料，但根據鏡像原理，反射場會產生180°相位差[4]。這要求天線與反射面距離大于？ λ。無法滿足低剖面的要求。

人工磁導體（AMC Artificial Magnetic Conductor）具有零相位反射特性，可以滿足天線的低剖面。并且由于反射場與入射場疊加使天線增益提高3dB[5]。本文研究設計出一款半球面螺旋天線可以滿足小型化，寬頻帶，圓極化的要求。

一、單元設計分析

本文采用的半球形螺旋半徑a=1.95cm，天線材料自身半徑與饋電的同軸電纜的內導體半徑相同，均為=0.05cm，同軸電纜的外導體半徑為=0.225 cm。離理想電導體高度h=0.8cm，頻率為2.94GHz。如圖1。

（環繞圈數N=3，半徑a=1.95cm，離地高度h=0.8cm）

人工磁導體選用無過孔結構，具有零相位反射特性而且比過孔接口結構簡單[6]。本文用方形單元的AMC結構，如圖2。像一塊夾心餅干一樣，方形貼片被2層介質板夾在中間。介質板的介電常數2.5，單層厚度==1.5748 mm，邊長L=13.3mm。貼片邊長W=0.192*0.192=12.8 mm（其中）。

理論上這種結構的AMC具有較為優良的反射相位特性，因為反射場相位在±90°之間的頻帶是AMC單元的帶寬[7]。圖3給出了其反射相位曲線。顯然，此單元的中心頻點是4.5GHz。反射場相位±90°之間帶寬0.73GHz。

為了與天線的2.94GHz匹配，需要改變AMC單元尺寸使中心頻點到2.94GHz，，其中單層厚度==1.4606 mm，邊長L=25.6mm。貼片邊長W=24.6mm，帶隙間隔g=0.5mm。更改后得到的反射相位曲線如圖5，顯示其中心頻點為2.94GHz。可以與天線匹配，使天線的性能達到最佳。

二、天線設計與仿真

在各種類型的天線中，螺旋天線具有更寬的帶寬，更是廣泛應用在衛星通信和定位系統中。[8]而半球形螺旋天線與之相比具有更低的剖面，更小的軸比，而且同樣有較好的圓極化特性[9]。理論上，AMC單元組成的反射面為無限大的結構。但在實際中，AMC反射面不可能無限增大。故本文采用4×4的結構模型來代替無限大的反射面。圖5顯示了基于AMC反射面的半球形螺旋天線，參數設置如下：繞線圈數N=5，天線半徑a=1.85cm，離地高度h=0.4cm，天線自身半徑=0.05 cm， AMC反射面用的之前改良后的單元組成的4×4的結構模型（但在仿真中必須作為一個整體構成，不能由16塊小的AMC單元拼湊。不然會有誤差）。由圖6、圖7可知，在C/λ=1.13時，即頻率f=2.81GHz時，遠場軸比具有接近0的最小值AR=0.493，極化方式為圓極化，波瓣寬度達到105°。且此時的增益最大，為G=9.725dBi。較普通天線而言性能更優化。

三、結論

半球形螺旋天線的由來已久，但基于人工磁導體平面使得該天線的性能發揮到最優。通過數值仿真，證明與PEC理想電導體相比，人工磁導體具有更寬的帶寬。經過仿真優化，改變天線環繞圈數，離地高度，饋電位置等參數，得到合成天線極化方式為圓極化，增益達到9.725dBi，高于普通圓極化天線。

參 考 文 獻

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