潘高峰,薛 軍,梁 盛

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

單極X頻段小型化天線的設(shè)計(jì)與互擾仿真

潘高峰,薛 軍,梁 盛

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

為滿足船載測(cè)控設(shè)備海上標(biāo)定、校驗(yàn)跟蹤參數(shù)的需要, 一般采用放信標(biāo)球的方式，同時(shí)為克服信標(biāo)球在空中隨氣球旋轉(zhuǎn)給跟蹤帶來(lái)的不利影響，信標(biāo)天線必須采用組陣方式;由于信標(biāo)球是一個(gè)小球體，安裝位置受限，組陣信標(biāo)天線在滿足天線指標(biāo)的情況下，必須滿足小型化和良好互擾性要求;文中設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化X頻段天線,通過(guò)分析比較，最終采用短單極子結(jié)構(gòu),在垂直方向具有全向性;通過(guò)HFSS的仿真和參數(shù)參數(shù)優(yōu)化,得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù);通過(guò)單個(gè)天線性能仿真，以及天線組陣仿真的結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)的天線指標(biāo)上完全滿足使用要求,具有天線結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工的優(yōu)點(diǎn);同時(shí),文章所采用的建模、仿真方法、對(duì)其它相關(guān)天線設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

單極天線; HFSS; 仿真; 反射系數(shù); 耦合干擾

0 引言

由于測(cè)量船需要長(zhǎng)時(shí)間航行赴遠(yuǎn)洋執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)前要對(duì)信道部分進(jìn)行檢驗(yàn)，標(biāo)定靈敏度、交叉耦合等參數(shù)，就要跟蹤裝有信號(hào)源的信標(biāo)球。為防止信標(biāo)球隨氣球旋轉(zhuǎn)引起天線遮擋，要采用天線組振方式，同時(shí)單個(gè)天線滿足小型化和性能要求。

本文選用單極天線作為輻射源，通過(guò)HFSS仿真和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)完成了滿足小型化和互擾性能的組陣天線。

1 天線結(jié)構(gòu)及原理

1.1 天線形式

綜合考慮本文選用了單極天線結(jié)構(gòu)，所謂單極天線，就是豎直振子具有四分之一波長(zhǎng)的天線。該天線安裝在一個(gè)接地平面上，它可以是實(shí)際地面，也可以是人造地面。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和加工方式的不同可將其分為平面單極子和印刷單極子兩類，文中采用平面單極子結(jié)構(gòu)，平面單極子是將一個(gè)平板結(jié)構(gòu)的金屬振子垂直放置在一塊尺寸較大的金屬接地板上，并通SMA射頻接頭對(duì)其進(jìn)行饋電。在自由空間中，四分之一波長(zhǎng)的單極天線在垂直平面上的輻射方向圖與半波偶極天線在垂直平面中的方向圖形狀相似，但沒(méi)有地下輻射；在水平面上，垂直天線是全向性的，可以滿足指標(biāo)要求，其指標(biāo)如下：

工作頻率：8.4～8.5 GHz；

極化形式：水平線極化；

電壓駐波比：≤2:1；

輻射方向圖：全空間覆蓋；

尺寸：<8厘米；

增益≥-3 dBi；

布局：組陣安裝。

1.2 短單極天線的輻射機(jī)理

短單極天線的等效模型如圖1所示，在理論上半徑為r的圓片單極結(jié)構(gòu)，可以近似等效為高L半徑a的短圓柱振子。天線用于收發(fā)信號(hào)，頻率是其主要指標(biāo)，對(duì)于短單極天線的下限頻率確定方法是：其圓面積可以用短圓柱振子的表面積來(lái)表征，其圓片直徑2r可以用圓柱振子的高度L來(lái)表征，即pr2=2paL，2r=L，可以得到高度為L(zhǎng)的短圓柱振子與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：L=0.24λF，其中：F=(L/a)/[L+(L+a)])。

圖1 短單極子等效模型

則圓片單極天線的最低諧振頻率為：

f

=3.2/

r

。

天線是一種轉(zhuǎn)換器，它把傳輸線上的導(dǎo)行波，變成向自由空間傳播的電磁波，或者進(jìn)行逆變換。按照結(jié)構(gòu)可以分為面天線和線天線，但不論具體形式如何，天線都基于有加或減速電荷產(chǎn)生輻射的共同機(jī)理?；据椛浞匠虨椋?/p>

I·L=Q·V(A·m·s-1)

式中,I為時(shí)變電流(A/s)；L為電流元的長(zhǎng)度(m)；Q為電荷(C)；V為速度的時(shí)間變化率，即電荷的加速度(m/s)。

當(dāng)圓柱振子有交變電流時(shí)，就能形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有關(guān)，當(dāng)其長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，電流將大大增強(qiáng)，形成較強(qiáng)的輻射，主要方向垂直于加速度，輻射功率正比于I·L(或Q·V)的平方。

1.3 天線組陣

天線安裝載體為直徑60 mm球體，該球體固定在氣象氣球中，根據(jù)需要進(jìn)行放飛。為防止球體在空中的翻轉(zhuǎn)，需要在球體上安裝多個(gè)天線，即需要天線組陣，如圖2所示。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際載體的特點(diǎn)，采用了水平布置3個(gè)間隔120°天線。由于天線距離較近，對(duì)其進(jìn)行天線間互擾分析也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2 天線仿真

2.1 單極子天線仿真

采用HFSS仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，它是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。

在HFSS中建立如圖3所示模型，通過(guò)計(jì)算求解得到的反射系數(shù)以及阻抗匹配如圖4所示。從圖中可以看出，在中心頻率8.45 GHz時(shí)的歸一化阻抗約為1，說(shuō)明天線端口阻抗匹配良好；VSWR<2(即反射系數(shù)|г|<1/3)的頻率范圍為7.7～9.1 GHz，滿足指標(biāo)要求。

圖2 天線布局圖 圖3 單極子天線模型

圖4 反射系數(shù)及阻抗匹配圖

天線方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，它可以形象地描述天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)變化的關(guān)系，是衡量天線性能的重要圖形。在天線方向圖中可以觀察到天線的多項(xiàng)性能參數(shù)。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的，在HFSS中定義好輻射表面后，即可以進(jìn)行方向圖的解析，如圖5所示。從圖中可以看出，天線輻射形狀類似一個(gè)“蘋果”，說(shuō)明設(shè)計(jì)的天線方向圖非常好，增益>-3 dBi，滿足指標(biāo)要求。

圖5 天線方向圖

2.2 天線組陣干擾分析

從圖2可知，3個(gè)天線安裝在球體上，距離較近，必須進(jìn)行天線間耦合分析，需要綜合分析天線的具體形式、饋電結(jié)構(gòu)、安裝位置和安裝殼體等多種因素，天線耦合度必須滿足一定的指標(biāo)要求，否則天線間的干擾會(huì)抑制有用信號(hào)，可能導(dǎo)致天線輻射波相互干擾，導(dǎo)致無(wú)法正常使用。

在完成單個(gè)天線性能仿真后，對(duì)天線間的互擾在HFSS中進(jìn)行了仿真。在HFSS中按圖1建立仿真模型，通過(guò)設(shè)置3端口激勵(lì)，可以方便得到S參數(shù)，最終的三維輻射方向圖及水平面和垂直面方向如圖6所示。雖然出現(xiàn)柵瓣，但是考慮到實(shí)際使用中，雷達(dá)的靈敏度比較高，以及信標(biāo)球距離比較遠(yuǎn)，天線輻射信號(hào)滿足使用要求。

圖6 耦合天線方向圖

3 測(cè)試與分析

圖7 天線測(cè)試原理圖

暗室中進(jìn)行反射系數(shù)、天線方向圖等測(cè)試，測(cè)試原理框圖如圖7所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。從結(jié)果可以看出，天線工作頻率在7.4～8.8 GHz，滿足指標(biāo)要求。

圖8 實(shí)測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際工程需要，給出了一個(gè)單極子小型化X頻段天線的設(shè)計(jì)方法，并利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果較為理想。在實(shí)際使用中，天線性能良好，完全滿足使用要求。同時(shí)，本文的設(shè)計(jì)、仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)此類天線具有一定的參考價(jià)值。

[1] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2] 林昌祿.近代天線設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,1990.

[3] 謝擁軍.Ansoft HFSS基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[4] 曹善勇.Ansoft HFSS磁場(chǎng)分析與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.

Design and EMC Analysis of X-band Miniaturization Monopole Antenna

Pan Gaofeng，Xue Jun，Xie Yong

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

To fulfill the requirement of calibration at sea of the shipborne M&C equipment and verification tracking parameters, beacon balloons is normal used to release. To overcome the disadvantage of rotated with balloon in air for antenna tracking, antenna array become the necessities on the beacon balloons.Due to the beacon balloons small, it is limited in installation position. It is required that antenna specifications is required, also miniaturization and favorable inter-disturb in design course for array beacon antenna. X-band miniaturization antenna is designed in the paper. Through comparing and analyzing the results of the simulation, the results show that the structure of short monopolar adopted is omnidirectional in vertical direction finally.Configuration Parameters and performance parameters are obtained by the simulation based on HFSS and parameter optimized. The result indicates that the design is satisfied in quota and cramped construction and process easily by the simulation of single antenna and antenna array. Besides, the method of modeling and simulation is helpful for other antenna design.

monopole antenna; HFSS; simulation; reflection coefficient; EMC

2016-07-09；

2016-07-26。

潘高峰(1972-)，男，遼寧錦州人，高級(jí)工程師，主要從事自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)12-0200-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.057

TN957

A