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(huì)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(duì)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(diǎn)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(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析加工和重設(shè)計(jì)，優(yōu)化天線陣的設(shè)計(jì)以組成更大的天線陣列。

1 天線的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)的需求。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，利用數(shù)值計(jì)算分析方法進(jìn)行天線的模擬仿真驗(yàn)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(jì)到實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)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(jì)算方法和基于時(shí)域的計(jì)算方法，當(dāng)前，發(fā)展最快、關(guān)注最多的當(dāng)數(shù)時(shí)域有限差分方法(FDTD)，F(xiàn)DTD算法及其主要公式見參考文獻(xiàn)［2］。

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常，Ku波段螺旋陣列天線的設(shè)計(jì)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(dá)到這個(gè)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?yàn)镵u波段螺旋陣列天線的設(shè)計(jì)不僅設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)際仿真開始之前，需為天線模型新建一個(gè)求解設(shè)置項(xiàng)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(jì)算時(shí)間成反比。而所需的計(jì)算時(shí)間也與運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jìn)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(diǎn)向高頻率移動(dòng)，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(shí)，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(dòng)，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(duì)螺旋陣元軸比(AR)的影響

圖4 參數(shù)h對(duì)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(duì)螺旋單元進(jìn)行仿真。圖5進(jìn)一步證明了螺旋直徑D=7.6 mm，h=0.8 mm時(shí)，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(shí)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(shí)，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(jì)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(duì)實(shí)物進(jìn)行測量。7圈螺旋陣列天線(168個(gè)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(shí)XOZ平面方向圖

圖8 天線陣在12 GHz時(shí)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(shí)測結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

因Ku波段頻率較高，這個(gè)頻段天線尺寸較小，對(duì)加工精度要求較高。天線陣元的測量結(jié)果抖動(dòng)較大，由天線單元的仿真可知，0.1 mm的差距也會(huì)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(duì)選用的天線單元進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(gè)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(shí)測結(jié)果有偏差，并對(duì)其做了誤差分析，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)了天線陣，經(jīng)過加工并測試，結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求。

［1］王洪.電磁仿真軟件HFSS在天線設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)分析［J］.計(jì)算機(jī)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.