宋立眾，房 亮，聶玉明，張 敏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

微波技術(shù)與天線課程是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)的重要課程，該課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較大的難度，學(xué)生的學(xué)習(xí)面臨較大困難。另外，微波技術(shù)與天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和元器件的價(jià)格也較昂貴。采用目前流行的全波電磁仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，將先進(jìn)的微波電路和天線設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)引入教學(xué)環(huán)節(jié)，不但使原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得到補(bǔ)充，而且可以使學(xué)生了解和掌握目前主流的微波電路與天線的設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)教學(xué)效果的提升[1-2]。本文通過對一個雙極化振子天線的設(shè)計(jì)與仿真過程，說明電磁場全波仿真軟件FEKO在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[3-5]。

1 電磁仿真軟件FEKO介紹

FEKO軟件是用于天線設(shè)計(jì)和電磁仿真的專業(yè)電磁場分析軟件，它基于矩量法，非常適合于天線設(shè)計(jì)中的各類電磁場分析問題。并且FEKO軟件支持天線工程中的各種激勵方式，如線端口饋電和波導(dǎo)端口饋電,通過矩量法積分表面電流，從而輸出天線的各種電性能參數(shù)。在計(jì)算電磁學(xué)中，矩量法求解過程簡單，求解步驟統(tǒng)一，可以達(dá)到所需要的精確度，但計(jì)算量很大。矩量法在天線分析和電磁場散射問題中被廣泛地應(yīng)用，例如用于天線和天線陣的輻射計(jì)算。

FEKO軟件提供了專用于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的高頻方法——物理光學(xué)方法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)。FEKO軟件實(shí)現(xiàn)了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行快速、精確的電磁計(jì)算。對于電大尺寸的計(jì)算問題，可考慮使用混合方法來進(jìn)行數(shù)值模擬。對關(guān)鍵性的部位使用矩量法，對其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根據(jù)不同的電磁問題，對混合方法進(jìn)行組合，可按用戶需要得到滿意的精度和速度。另外，對PO方法，F(xiàn)EKO使用了棱邊修正項(xiàng)和模擬凸表面爬行波的?？穗娏?。根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件條件和待求解問題精度要求的不同，F(xiàn)EKO軟件可以求解成百上千個波長的問題[6-10]。

本文利用FEKO軟件，通過對天線單元網(wǎng)格化，再按照矩量法的思想，通過積分計(jì)算單元表面電流，再與格林函數(shù)相乘，得到天線輻射方向圖。FEKO軟件的仿真精度可以達(dá)到實(shí)際的精度要求，不過矩量法的計(jì)算量很大，對計(jì)算機(jī)要求很高，計(jì)算比較費(fèi)時(shí)。

2 雙極化振子天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蝶形天線是一種屬于正交放置的雙極化天線。因?yàn)?個天線單元在中心處互相交叉，導(dǎo)致振子之間的距離很大，阻抗匹配較為困難，所以在饋線處做了開槽處理，便于阻抗匹配。蝶形天線的輻射為全向輻射，故而在天線下方加入一塊錐形地板，使其更接近于定向輻射。天線的主要尺寸由工作頻率決定。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)其中一個單極化的蝶形天線，通過簡單參數(shù)調(diào)整得到另一個天線,再將這2個天線正交放置,即得到雙極化的蝶形天線單元。

2.1 蝶形天線單元振子臂形式選擇

蝶形天線的振子臂形式?jīng)Q定著蝶形天線表面電流的分布，故而它的形式較為重要。在天線振子臂結(jié)構(gòu)的選擇上，分別針對三角形、扇形、半球形3種振子臂形式進(jìn)行了建模仿真，分別比較他們各自的輸入阻抗特性。對于普通單極化蝶形天線，振子臂間的間距是越小越好的，但為了實(shí)現(xiàn)天線雙極化，故而使振子臂間距很大，以保證兩個單極化的天線可以在中心正交放置。為了便于比較3種振子臂的特性，其中令振子臂間距固定為1.2 mm，同樣工作在工作頻點(diǎn)f0，總長度保持8 mm，在FEKO軟件中采用點(diǎn)到點(diǎn)離散端口饋電。分別計(jì)算其各自的端口阻抗Z(見表1)。

表1 三種振子臂端口阻抗

將各振子臂進(jìn)行理想的阻抗匹配處理后，即在離散端口處將端口阻抗設(shè)為表1所示的振子臂端口阻抗。理論上，天線振子臂邊緣經(jīng)過圓滑后，可以減少振子臂的表面電流的反射，使半球形的振子臂表面更為平滑；可以消除表面電流的迅速突變點(diǎn)，進(jìn)一步減少天線表面電流之間的相互反射，使其表面電流分布更為平滑，減少表面電流衰減。半球形的振子臂也是一種天線小型化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在同樣的尺寸下，其輻射表面積最大。

仿真結(jié)果表明，三角形振子臂的蝶形天線電壓駐波比1.5以下的阻抗帶寬約為1.18 GHz，在同樣的長度下,扇形振子臂蝶形天線的阻抗帶寬約為1.35 GHz，而半球形振子臂蝶形天線的阻抗帶寬達(dá)到了2.1 GHz。半球形振子臂蝶形天線的電壓駐波比仿真結(jié)果如圖1所示。從表1可以看出，半球形振子臂蝶形天線的端口輸入阻抗最小，虛部也小，天線阻抗也便于饋線進(jìn)行阻抗變換時(shí)的連接。無論天線調(diào)配，還是天線的饋線連接，半球形振子臂都具有很大的優(yōu)越性，并且易于實(shí)現(xiàn)雙極化。故而，本文選擇半球形振子臂作為蝶形天線單元設(shè)計(jì)中的輻射振子臂。

圖1 半球形振子臂蝶形天線的電壓駐波比仿真

2.2 蝶形天線基本結(jié)構(gòu)

雙極化蝶形振子天線由兩個結(jié)構(gòu)類似的單極化蝶形天線單元正交放置構(gòu)成，每個單極化蝶形天線都采用了半球形振子臂，在蝶形天線的下方加置一塊錐形金屬地板，這兩個單極化蝶形天線單元分別被稱為天線1和天線2。圖2給出了單極化蝶形天線的結(jié)構(gòu)，其饋電方法是由同軸線直連微帶線，再通過一個短路線巴倫對端口進(jìn)行饋電。在圖2中，R1、R2分別為天線1和天線2的振子的半徑，L1、L2分別為天線1和天線2的振子間的距離，Dm1、Dm2分別為天線1和天線2空氣微帶線的空氣間隙厚度，W1、W2分別為天線1和天線2的地板直徑，h1、h2分別為天線1和天線2振子距地板高度。

圖2 蝶形天線結(jié)構(gòu)示意圖

地板除了起反射板的作用外，它的尺寸還限制了整個天線的尺寸，即：

Max{(R1×2+L1+Dm),(R2×2+L2+Dm)}≤W

2.3 蝶形天線饋線設(shè)計(jì)

天線饋線的作用就是將50Ω同軸電纜與天線輸入端口連接并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，設(shè)計(jì)了同軸線轉(zhuǎn)微帶線阻抗變換結(jié)構(gòu)，并且為了實(shí)現(xiàn)平衡饋電，使用了一個λ/4的短路線巴倫(見圖3)。仿真表明，該饋線具有較好的阻抗匹配功能。

圖3 饋線模型

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，就是將50Ω的同軸電纜線變換到微帶線上，微帶線的阻抗需要與同軸電纜一致，目的是減少電流反射。通過微帶線的傳輸及電磁耦合效應(yīng)，在理想條件下，可近似等效T型電路進(jìn)行阻抗變換。

2.4 地板對天線的影響

蝶形天線是一種全向天線，為了將其改為定向天線，就需要在下方約λ/4處加一塊反射板。在本天線的設(shè)計(jì)中，使用了一個λ/4巴倫的平衡器。該平衡器直接連接反射板，使反射板具有地板的功能。在設(shè)計(jì)寬帶天線中，由于其波長變化較大，所以在下方約λ/4處的位置處采用錐形的地板，其高度hz為：

hz≈(λmin+λmax)/4-λo/4

式中，λmin、λmax與λo分別是工作帶寬對應(yīng)的最小波長、最大波長及中心頻率對應(yīng)的波長?？紤]到精度問題，取λz=0.2mm；而由于天線單元的限制，所以地板直徑W≈0.5λ，其余的各項(xiàng)參數(shù)皆由工作頻率限制。在電磁仿真軟件FEKO中建立其仿真的電磁模型，由圖2正交放置而成，便構(gòu)成了雙極化蝶形天線(見圖4)。該天線有2個饋電端口，下面的錐形板作為地板起到反射作用，相對于振子來講，尺寸小，會導(dǎo)致天線后瓣較大。當(dāng)天線單元組成陣列后，多個地板相連，擴(kuò)大了地板面積，地板相對振子臂尺寸的面積會很大，于是后瓣問題在陣列中不會存在。

圖4 雙極化蝶形天線仿真模型

2.5 蝶形天線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

對于蝶形天線，可以采用對天線振子臂加入LC結(jié)構(gòu)的方法展寬其工作帶寬。由于本文討論的蝶形天線的帶寬已經(jīng)能夠滿足要求，因此沒有對其進(jìn)行LC加載，但該天線饋線相對地板較大，故而在饋線處作了開槽處理，如圖5所示。開槽后輻射電流也會增強(qiáng)，開槽的大小也決定著天線的工作帶寬，所以在設(shè)計(jì)饋線時(shí)，不僅要考慮微帶線的寬度，還要考慮饋線對天線振子諧振點(diǎn)的影響。饋線在傳輸能量的過程中產(chǎn)生的能量損耗對天線的阻抗匹配程度有很大影響，在饋線處連續(xù)開槽，可能會起到更好的效果。

圖5 饋線開槽示意圖

3 雙極化振子天線仿真分析

本文對設(shè)計(jì)的雙極化蝶形天線進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該蝶形天線單元的電壓駐波比小于1.5，以其工作頻點(diǎn)f0為中心頻率的帶寬為1.3GHz，電壓駐波比指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖6和圖7分別給出了在工作頻點(diǎn)f0上的天線線單元1的輻射增益方向圖和軸比方向圖，圖8和圖9分別給出了在工作頻點(diǎn)f0上的天線線單元2的輻射增益方向圖和軸比方向圖。從兩個端口輻射方向圖可以看出，天線的增益大致高于3dB，與理想的蝶形天線的增益相差不大，其半功率波束寬度為70°左右。天線后瓣電平較大，其前后比僅為2dB，這是由于在設(shè)計(jì)蝶形天線時(shí)將地板尺寸限制到半波長的原因。該蝶形天線的輻射方向圖在兩個邊頻頻點(diǎn)與中心頻點(diǎn)f0上的輻射方向圖變化不大，故而其輻射方向圖可在工作帶寬內(nèi)保持良好的特性。同時(shí)，該天線的兩個極化端口的電壓駐波比仿真結(jié)果曲線幾乎一致，也可以看出該雙極化蝶形天線中的兩個天線單元比較對稱，其特性也基本一致。在工作帶寬內(nèi)，主輻射方向上的兩個極化端口的軸比都在30dB以上，說明這兩個極化端口的輻射場的極化特性都較為理想。

圖6 蝶形天線單元1端口輻射方向圖

圖7 蝶形天線單元1端口軸比方向圖

圖8 蝶形天線單元端口2的輻射方向圖

圖9 蝶形天線單元端口2的軸比方向圖

4 結(jié)束語

本文提出了在微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入電磁仿真技術(shù)的教學(xué)改革思想，以達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。以全波電磁仿真軟件FEKO為工具，設(shè)計(jì)和仿真了一種雙極化蝶形振子天線，給出了具體的仿真和分析結(jié)果，設(shè)計(jì)的雙極化蝶形振子天線達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)?？梢钥闯觯谖⒉夹g(shù)與天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入電磁仿真技術(shù)可以與工程實(shí)踐接軌，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，具體的教學(xué)環(huán)節(jié)安排是我們今后的教學(xué)任務(wù)之一。

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