UHF頻段衛星通信螺旋天線的設計*

向亞麗　徐　慨　項順祥

(海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)

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UHF頻段衛星通信螺旋天線的設計*

向亞麗徐慨項順祥

(海軍工程大學電子工程學院武漢430033)

摘要近代以來，天線的研究成為電磁領域的重要內容，與此同時螺旋天線具有阻抗平穩性好，波束寬度寬，方向性好等較為優越的性能被廣泛地應用于航天，定位，氣象，中繼等諸多領域。首先對工作在UHF頻段的螺旋天線進行系統理論分析，建立仿真模型，對方向圖，寬帶阻抗及增益等性能指標進行分析，再進行實物制作，現場測試分析。實驗表明，該螺旋天線的設計和制作是成功的，其天線性能較好，可用于UHF頻段衛星通信信號的接收與發射。

關鍵詞UHF頻段; 螺旋天線; HFSS仿真

Class NumberTN82

1　引言

UHF屬于特高頻無線電波，其頻率范圍在300MHz～3000MHz之間。該頻段無線電波常用于廣播電視等生活領域，其中常用的為470MHz～806MHz，該頻段為我國廣播電視頻段，UHF衛星通信在實際應用中一般使用UHF較低的頻段。特高頻信號在軍事領域中也有許多其他頻段信號無法比擬的優勢，比如終端實用性強、信號穿透性強、接入得到保證、可實現全球覆蓋以及廣播聯網等。本課題主要是對軸向模螺旋天線展開理論設計、結構尺寸以及性能特點的研究。

2　螺旋天線的設計

參閱資料，圖1中由線條分為三部分：上部陰影區為圓錐形方向圖螺旋天線設計區；下部陰影區是法向模螺旋天線區；中間部分就是軸向模螺旋天線區。如圖所示，點劃線、實線和虛線集中在中間部分，分別劃定了軸向模螺旋天線的軸比、方向圖和阻抗合理的設計區域。在這些區域內，軸比小于1dB，方向圖主瓣都處于軸向，阻抗近似為純電阻。

圖1　螺旋天線的設計圖

圖1可以看出，兼顧到軸比、方向圖、阻抗三種性能參數均合理的最佳螺距角為14°左右。

(1)

螺旋導線直徑一般取d=0.02λ。根據設計要求，所設計UHF頻段螺旋天線的中心頻率f=550MHz，增益G>14.5dB。結合螺旋天線設計圖，選擇螺距角α=14°，如圖中F0點位置，此時D/λ=0.32，S/λ=0.25。帶入公式計算可得：n≈7.4、制作時取n=8，C/λ≈1.04，P=1.25。

3　螺旋天線的仿真設計

3.1建模與仿真分析

根據設計要求，建立UHF頻段螺旋螺旋天線的仿真模型，依據第1節中天線結構尺寸的計算結果，合理設定模型參數，如表1所示。

表1　仿真設計參數表

3.2模型設計

在HFSS 15.0的操作環境中建立螺旋天線的仿真設計模型，如圖2所示。天線的輻射方向與Z軸正方向同向，螺旋線的螺距S=136.3mm，直徑D=173.5mm。在XY平面上有一個反射擋板其直徑D=200mm。模型中，外立方體表面為天線遠磁場和近磁場的分界面，一般設計天線模型，都必須考慮遠磁場的情況。設置好材料特性以及邊界條件，定義端口，然后檢查運行，最后求解分析。

圖2　螺旋天線仿真模型

3.2.1仿真流程圖

建立模型的設計流程主要包括以下幾個步驟：設置求解類型、創建天線結構模型、設置邊界條件、設置激勵方式、設置求解參數、運行求解分析、查看求解結果和Optimetrics優化設計。使用HFSS軟件進行天線設計的設計流程如圖3所示。

圖3　仿真設計流程圖

3.2.2求解設置，檢查運行及結果分析

螺旋天線的中心頻率為550MHz，因此，求解頻率設置為550MHz。同時添加450MHz～650MHz的掃頻設置。通過前面的操作，已經完成了天線的模型創建、參數設置等仿真設計的前期工作。

3.3仿真結果分析

3.3.1查看天線的方向圖

首先分析該螺旋天線的方向性系數，查看仿真參數結果可知天線的方向性系數D=12.54。

1)在550MHz中心頻率處的增益圖

如圖4，從增益方向圖可以看出，主瓣最大輻射功率為40.95dBm，根據方向圖計算了得到天線的部分性能參數，主要包括半功率波瓣寬度、副瓣電平、前后比。

半功率波瓣寬度為：2φ0.5=90°。

副瓣最大輻射功率為29.13dBm，副瓣電平為

后瓣最大輻射功率為30.26dBm，前后比為

2)天線在550MHz中心頻率處的三維增益方向圖如圖5所示。

圖4　極坐標下的增益方向圖

圖5　三維增益方向圖

3.3.2天線的有效接收面積

天線接收到的信號功率與來自最大輻射方向上信號功率密度之比即為天線的有效接收面積。任意天線的最大有效接收面積與最大方向性系數之間的關系可由下式表示：

(2)

其中Γ天線的反射系數，天線在中心頻率550MHz時的反射系數Γ=-30.8dB，又D=12.54。代入上式，計算得天線的有效接收面積Aem≈0.3m2。

3.3.3仿真天線的輻射效率

模型中，輸入功率就是初始定義的端口激勵功率，軟件默認該值為1W。但是在實際運用中存在損耗，因此引入凈輸入功率的概念，即實際流入天線端口的功率。如果分別使用Pacc和Pinc表示凈輸入功率和輸入功率，對于只有一個傳輸模式的單端口天線，則：

(3)

式中，S11是天線端口的反射系數。

從仿真參數結果中可以看出Pacc=0.99918W。

在HFSS中，輻射效率是輻射功率和凈輸入功率的比值，即

(4)

由參數結果可知，輻射功率(MaxU)Prad=0.98959W/sr，由此計算得到仿真出螺旋天線輻射效率為η=0.9904。

3.3.4螺旋天線諧振頻率

通過查看天線的回波損耗(即S11參數)，即可看出天線的諧振頻率。

圖6　掃頻分析結果

從結果報告中可以看出，天線在550MHz時有最小的反射系數，S11=-30.8。由此可以判斷，該仿真天線的諧振頻率近似于550MHz，并且在S11<-20.0時的相對帶寬為

BW=(588.2-503.4)/550×100%=15.4%

3.3.5查看天線的輸入阻抗

如圖7和圖8分別為在直角坐標系下和Smith圓圖下天線的輸入阻抗與頻率的變化關系圖。

圖7　UHF頻段螺旋天線的輸入阻抗結果

圖8　Smith圓圖顯示的輸入阻抗結果報告

從結果中可以看出，當仿真螺旋天線工作在中心頻率550MHz時，其輸入阻抗為(47.0-j0.7)Ω，可見此時天線的輸入阻抗已經和50Ω匹配良好。

從給出的Smith圓圖顯示的輸入阻抗結果報告中可以看出，圖中m點在550MHz中心頻率上，此時，天線的歸一化輸入阻抗為(0.945+j0.007)Ω。

3.3.6電壓駐波比(VSWR)

電壓駐波比和反射系數是評價天線匹配程度的重要指標。

分析圖9可知，在550MHz處，駐波比為1.05，說明該系統匹配優良，天線在550MHz的頻率處接近行波，傳輸特性比較理想。

圖9　電壓駐波比報告圖

4　螺旋天線的制作及測試

制作一個天線軸長110cm，螺旋直徑17.4cm，天線螺距13.6cm，圈數為8圈，螺旋導線的直徑為0.6cm的螺旋天線。

4.1中心頻率測量

架設測試平臺，用一幅對數周期天線作為標準發射天線，待測天線作為接收天線連接頻譜分析儀，并將收、發天線最大輻射方向對準，保持信號發生器輸出功率不變，調整信號發生器的輸出頻率，以450MHz作為開始頻點，記錄此時頻譜分析儀讀數，然后每次上調1，并記錄每次調整之后頻譜分析儀讀數，直到650MHz結束。根據所得數據畫出圖10，表示接收信號幅值和發射信號頻率的變化關系。

圖10　接收信號幅值和發射信號頻率關系曲線

4.2天線增益測量

本次測試使用比較法的方式來測螺旋天線增益。比較法是指通過分別測量標準天線和待測天線的接收功率幅值，比較給定增益值的標準天線，從而得知待測天線的增益值。測量通常選擇具有方向性的天線與標準比較，若標準天線增益為Gs，則天線增益為G，并有如下關系：

(3)

根據測得數據，N1=-51.5dBm，N2=-42.5dBm，使用的標準天線是直立天線，在550MHz時的增益為2dBi。所以得到待測天線的增益為

比仿真得到的12.5dBi要小一些。這是因為所制作螺旋天線缺失反射板導致信號衰減損耗引起增益值的減少，最終估計該自制螺旋天線增益應該在11.0dBi～15.5dBi之間。

4.3天線方向圖的測量

根據實測天線方向圖的全部數據，運用Matlab軟件繪制方向圖。如圖11和圖12所示，實測天線方向圖為方位和俯仰平面方向圖，橫軸為空間角度值，縱軸為接收到的功率電平值。方向圖采用極坐標的方式繪制。

圖11　方位圖

圖12　俯仰平面方向圖

分析螺旋天線水平面方向圖，半功率波瓣寬度為2φ0=60°，天線在水平方向平面上的波束寬度的大小由水平平面的半功率角確定。在一定程度上提高天線傾角可以有效地改善扇區交界處的覆蓋，而且相對其他方式而言，不容易產生對其他小區的越區覆蓋。

分析查看螺旋天線垂直面的方向圖，可知其半功率波瓣寬度為2φ0=65°，垂直平面的半功率角，描述了天線在垂直平面內的波束寬度，并且垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向的信號衰減越快，此時可以通過調整天線傾角來達到準確控制覆蓋范圍的目的。

5　結語

通過現場測量，對所制作螺旋天線的增益和方向圖進行了測試，然后利用相關理論和Matlab軟件對測試數據結果進行性能分析，結果表明，天線仿真結果與實際測試數據吻合程度好，達到了設計要求，可以用于UHF頻段軍事衛星通信中。

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*收稿日期：2015年10月27日,修回日期：2015年11月30日

作者簡介：向亞麗,女,碩士研究生,研究方向：微波與毫米波系統理論與技術。徐慨,男,副教授,研究方向:衛星通信和微波通信。項順祥,男,講師,研究方向:微波通信。

中圖分類號TN82

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.043

Design of UHF Frequency Band Satellite Communication Spiral Antenna

XIANG YaliXU KaiXIANG Shunxiang

(School of Electronic Engineering， Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractSince modern times， the antenna research has become an important content electromagnetic field. Meanwhile， spiral antenna has the advantages of impedance good stability， wide beam width and directivity， which is widely used in aerospace， location， weather， relay and many other fields. Firstly， a system theory analysis is made for the UHF frequency band satellite communication spiral antenna， a simulation model is established， are carried on broadband impedance and gain performance index are analyzed， then the physical production， field test and analysis. It shows that the spiral antenna design and production are successful， whose performance is good .It can be used in UHF band satellite communication signal receiving and sending.

Key WordsUHF frequency, spiral antenna, HFSS simulation