一種超寬帶半球柱面螺旋天線的研究

姜興 田燁 彭麟 李曉峰

(桂林電子科技大學信息與通信學院,桂林 541004)

引 言

在移動終端的衛星通信中,為了維持與衛星信號的通信鏈路,往往要求天線具有圓極化的特性. 圓極化天線陣列單元通常采用圓柱面螺旋天線與微帶天線,普通圓極化微帶天線通常帶寬較窄,尺寸較大;圓柱面螺旋天線在軸向輻射時,帶寬較窄,實現圓極化需要的較多圈數增大了天線的體積. 球面螺旋天線將螺旋線纏繞在球面上,具有體積小、寬帶、圓極化的特點,適用于衛星通信地面站、無線通信等領域.

J. C. Cardoso 和 A. Safaai-Jazi詳細分析了球面螺旋天線的阻抗特性及圓極化特性[1],其具有圓極化、寬波束的特征,但是很難在平地上保持垂直放置,因此H. T. Hui等人又提出了半球面螺旋天線[2],它的高度僅為球面螺旋天線的一半,能夠穩定在平面上,具有更加穩定的機械結構,并且性能與球面螺旋天線相類似. Y. Zhang與H. T. Hui提出了一種用于GPS接收機的半球面螺旋天線[3],其印刷在半球面介質上,具有更加穩固的結構并且易于加工,但阻抗帶寬及軸比帶寬大約都僅有6%.T A Latef在文獻[4-7] 中研究了一系列球面螺旋天線及其組陣. 文獻[4]中分析了一種印刷在聚苯乙烯介質上的半球面螺旋天線,采用寄生結構來展寬天線帶寬;文獻[5]中,研究了不同介質層數及介電常數下半球面螺旋天線的性能,展寬了波束寬度,阻抗帶寬和軸比帶寬分別為9%和5%,波束寬度能達到135°;結合文獻[4]及文獻[5],于文獻[6]中研究了一種多層介質支撐的帶有寄生線的球面螺旋天線,帶寬大約為8%;隨后,文獻[7]進一步組陣研究了三單元球面螺旋天線陣,分析了球面螺旋天線間距及擺放角度對陣列性能的影響,陣列軸比帶寬可達到11%,波束寬度達到136°. 文獻[8]提出了一種超寬帶半球面螺旋天線,使用漸變的金屬條來取代細銅線,在阻抗變換部分金屬條的高度采用指數變化,寬度采用正弦變化,可以得到的阻抗帶寬超過50%,軸比帶寬大約24%,但是機械機構不穩定且加工構造困難.

本文設計了一款半球柱面螺旋天線,具有小型化、圓極化、超寬帶等特性. 天線由輻射部分、阻抗變換部分及反射板構成,采用HFSS仿真軟件對天線的結構參數進行優化設計,得到天線的最終尺寸,并加工測試.

1 半球面螺旋天線的結構

1.1 半球面螺旋天線模型

半球面螺旋天線是一種以螺旋方式纏繞在半球面上的線天線,相對于球面螺旋天線,其具有較為穩定的機械結構. 通常采用細銅線纏繞,在天線下方加垂直于軸向放置的圓形反射板增強軸向輻射特性,使用同軸饋電,同軸內導體接細銅線,外導體接地. 在極坐標下,該天線方程式表示為

(1)

此外,球面螺旋天線可分為等螺距球面螺旋天線與等弧距球面螺旋天線.

令θ=φ/(2N),則為等弧距球面螺旋天線,經過坐標變換并代入方程,在直角坐標下方程可表示為

(2)

式中:r是天線所纏繞球面的半徑;N是纏繞的螺旋圈數;θ和φ分別為天線的俯仰角和方位角.

1.2 半球面螺旋天線設計及優化

根據球面螺旋天線理論并結合HFSS仿真軟件,本文設計了一款用于S波段的球柱面螺旋天線,其結構如圖1所示,介質支撐為聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE),介電常數為2.1,介質支撐使天線機械結構穩定并易于實現;將直徑為0.8 mm的細銅絲以螺旋方式纏繞在介質半球上,以三節方式纏繞在柱面上;采用半徑為50 mm的反射板使天線定向輻射. 螺旋天線部分的總體尺寸為40 mm×40 mm×31.4 mm,工作頻段大約為2.45～3 GHz,天線尺寸較小.

圖1 半球柱面螺旋天線結構圖Fig.1 The structure of hemisphere cylindrical helical antenna

根據球面螺旋天線理論,可知球面周長C為0.75λ～2.0λ時,天線工作在軸向模,此時天線具有圓極化特性. 根據設計需求,天線工作在S波段,半球半徑固定為a=20 mm,天線頻率在C/λ為1.1～1.28時,有較為穩定的輻射方向圖和阻抗特性.

根據J. C. Cardoso及H. T. Hui等人的研究及HFSS軟件仿真分析,螺旋圈數N=3.5時,天線圓極化特性及阻抗特性最好. 為了驗證最佳螺旋圈數,使用HFSS仿真軟件對其進行仿真優化,如圖2所示．可知N=3.5時天線圓極化帶寬和阻抗帶寬具有最大的重合部分.

(a) 螺旋圈數對回波損耗S11的影響(a) The influence of helical turns on return loss S11

(b) 螺旋圈數對軸比(axial ratio,AR)的影響(b) The influence of helical turns on AR圖2 螺旋圈數對天線性能的影響Fig.2 The influence of helical turns on antenna performance

2 天線匹配部分分析及優化

2.1 匹配部分分析

半球面螺旋天線的阻抗與50 Ω同軸線不匹配,為了進行阻抗匹配,得到較寬的阻抗帶寬及較好的圓極化特性,在半球柱面螺旋天線圓柱部分使用三段曲折線銅絲,銅絲一端連在螺旋線上,一端接同軸內芯. 曲折線的三段長度分別為L1、L2、L3,通過L2、L3引入等效L節匹配網絡,進行阻抗匹配. 等效電路圖如圖3所示,阻抗匹配段平行于反射板的部分(L2)等效為電感,L2與反射板之間的部分等效為電容. 阻抗匹配對比圖如圖4所示,無PTFE介質支撐的半球面螺旋天線阻抗實部在2.7～3.8 GHz范圍內較為平緩,加入PTFE介質的半球面螺旋天線,在2.3 GHz(C/λ=0.96)～3.3 GHz(C/λ=1.38)內,阻抗實部R較為平緩,變化范圍為65 ～110 Ω,阻抗虛部X從-100 Ω變化到70 Ω,經過等效L節匹配網絡后,在頻率為2.3 ～3.3 GHz范圍內,天線阻抗實部變為35～68 Ω,虛部為-12～20 Ω,實現了阻抗匹配.

(a) 阻抗匹配部分 (b) 阻抗匹配等效電路(a) Matching section (b) Equivalent circuit圖3 阻抗匹配段及等效電路圖Fig.3 Impedance matching section and equivalent circuit

圖4 阻抗匹配前后天線阻抗對比Fig.4 Comparison of antenna impedance with impedance matching

2.2 匹配部分優化

根據球面螺旋天線理論及HFSS仿真分析,天線半徑、螺旋線圈數均已確定,天線特性主要受曲折線匹配段影響,為了研究阻抗匹配段對天線特性的影響并得到合適的尺寸,使用HFSS仿真軟件對球面螺旋天線曲折線匹配段L1、L2、L3進行參數掃描分析.

天線阻抗匹配垂直段L1主要表示天線到反射板的距離,對軸比影響較大,距離合適時,天線才能輻射圓極化波.L1對回波損耗及軸比的影響如圖5所示,隨著L1的逐漸減小,阻抗帶寬增大,阻抗高頻帶寬擴展,軸比帶寬減小. 綜合考慮阻抗帶寬和軸比帶寬,將L1選擇為10 mm,阻抗帶寬和軸比帶寬有最大的重合部分.

天線阻抗匹配平行段L2平行于反射板,銅絲環繞在圓柱形PTEE介質上,其對天線回波損耗影響較大,對軸比影響較小,如圖6所示. 隨著L2的增大,天線阻抗帶寬先增大后減小,對天線軸比影響不大,因此選擇L2=18.84 mm.

(a) L1對回波損耗的影響(a) The influence of L1 on return loss

(b) L1對軸比的影響(b) The influence of L1 on AR圖5 L1對天線結果的影響Fig.5 The influence of L1 on antenna performance

(a) L2對回波損耗的影響(a) The influence of L2 on return loss

(b) L2對軸比的影響(b) The influence of L2 on AR圖6 L2對天線結果的影響Fig.6 The influence of L2 on antenna performance

天線阻抗匹配垂直調節段L3可以調整平行段L2與地板的距離,即改變L2與地板間形成的電容大小,從而與L2共同調節阻抗帶寬,L3對回波損耗及軸比的影響如圖7所示.L3增加時,阻抗帶寬增大,天線軸比先減小后增大,變化不大,但是軸比中間凸起部分逐漸接近3 dB. 綜合考慮阻抗帶寬和軸比帶寬、剖面,將L3選擇為1.4 mm.

(a) L3對回波損耗的影響(a) The influence of L3 on return loss

(b) L3對軸比的影響(b) The influence of L3 on AR圖7 L3對天線結果的影響Fig.7 The influence of L3 on antenna performance

綜合以上分析,可以看出,L1主要影響天線軸比,L2、L3主要影響天線阻抗,與圖3中等效電路圖的分析相符. 綜合考慮,可以得到優化尺寸L1=10 mm,L2=18.84 mm,L3=1.4 mm.

3 天線實測結果及分析

經過HFSS仿真得到天線最佳尺寸后,加工天線并進行組裝,天線加工實物圖如圖8所示.

使用矢量網絡分析儀測試天線的S11,微波暗室測試系統NSI2000測量天線的軸比、方向圖及增益,并將實測結果與仿真結果對比.

天線仿真與實測的S11、軸比、增益對比分別如圖9、圖10、圖11所示. 從圖9可以看出仿真阻抗帶寬范圍為2.4～3.3 GHz(31.6%),實測阻抗帶寬范圍為2.3～3.2 GHz(32.7%). 阻抗帶寬范圍基本吻合,實測比仿真略微向低頻偏移,大約偏移0.1 GHz. 由圖10可得,仿真軸比帶寬范圍為2.48～3.05 GHz(20.6%),實測軸比帶寬范圍為2.45～3.0 GHz(20.2%),軸比帶寬范圍基本吻合,實測比仿真略微向低頻偏移,仿真軸比小于實測軸比,二者基本趨勢相同. 與文獻[1]中球面螺旋天線相比具有更低的剖面與更寬的帶寬;與文獻[6]中半球面螺旋天線8%的軸比帶寬相比,軸比帶寬提高了150%,剖面略高. 圖11給出了天線仿真與實測的增益對比,帶寬范圍內,仿真的最大增益為9.2 dB,最低增益為7.8 dB,實測的最大增益為9.1 dB,最低增益為7.7 dB. 天線增益隨頻率升高反而下降的原因是,球柱面螺旋天線主要輻射模式為軸向模時,同時包含有法向模和圓錐模,隨著頻率的升高,該天線主要輻射模式中圓錐模的部分逐漸增大,從而導致增益降低. 3 GHz之內阻抗特性及圓極化特性良好,此時圓錐模雖然導致增益降低,但并未過于影響天線圓極化性能. 頻率升高3.9 GHz后,z軸方向增益劇烈下降,主要輻射模式變為圓錐模,圓極化性能下降,但此時已不在天線工作頻段之內.

圖8 半球柱面螺旋天線實物圖Fig.8 The prototype of hemisphere cylindrical helical antenna

圖9 天線仿真與實測的S11對比Fig.9 Comparison of simulated and measured S11 for the antenna

圖10 天線仿真與實測的軸比對比Fig.10 Comparison of simulated and measured axial ratios for the antenna

圖11 天線仿真與實測的增益對比Fig.11 Comparison of simulated and measured gain for the antenna

圖12、圖13、圖14分別給出了天線在頻率為2.5 GHz、2.7 GHz、3.0 GHz的遠場E面(yoz平面)和H面(xoz平面)方向圖,其為歸一化二維方向圖, 實線為仿真結果,虛線為實測結果. 圖12表明頻率為2.5 GHz時,仿真與測試結果基本吻合. 在xoz平面仿真和實測的3 dB波束寬度分別為64°和59°,在yoz平面仿真和實測波束寬度分別為66°和62°,實測波束寬度窄于仿真波束寬度. 圖13表明頻率為2.7 GHz時,仿真與實測結果基本吻合. 在xoz平面仿真和實測的3 dB波束寬度分別為64°和57°,在yoz平面仿真和實測均為66°. 圖14表明頻率為3 GHz時,實測和仿真結果基本吻合. 在xoz平面仿真和實測的3 dB波束寬度分別為81°和84°,在yoz平面仿真和實測波束寬度分別為77°和74°. 該天線主極化為左旋圓極化,交叉極化為右旋圓極化. 2.5 GHz、2.7 GHz、3 GHz三個頻率實測與仿真的主極化與交叉極化之比均大于14 dB,左旋圓極化輻射特性較好.

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)圖12 2.5 GHz天線仿真與實測的方向圖對比Fig.12 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 2.5 GHz

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)圖13 2.7 GHz天線仿真與實測的方向圖對比Fig.13 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 2.7 GHz

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)圖14 3 GHz天線仿真與實測的方向圖對比Fig.14 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 3 GHz

由以上幾個頻點的歸一化二維方向圖可知,在帶寬范圍內,方向圖的實測結果和仿真結果基本吻合,且隨著頻率的增加,方向圖的尾瓣減小,3 GHz時的波束寬度寬于2.5 GHz及2.7 GHz.

4 結 論

由于球面螺旋天線具有圓極化、寬帶的特性,因此本文設計了一款超寬帶半球柱面螺旋天線,L節等效匹配網絡的引入擴展了天線帶寬,與普通球面螺旋天線及半球面螺旋天線相比,其機械結構穩定且帶寬較寬,尺寸較小,天線直徑大約為0.36λ0. 天線仿真和測試的阻抗帶寬分別能達到31.6%(2.4～3.3 GHz)及32.7%(2.3～3.2 GHz),仿真和測試的軸比帶寬分別為20.6%(2.48～3.05 GHz)及20.2%(2.45～3.0 GHz),工作頻帶內最高增益能達到9.1 dB. 實驗表明,本文天線具有良好的阻抗特性、圓極化特性及相對較高的增益,可以將單元進行組陣用于衛星通信、航空航天等領域.