基于GEMS對Ku波段螺旋陣列天線的設計優化

彭 樺，吳玉成，于 璽，楊建航

(1.重慶大學通信工程學院，重慶 400044;2.中海油信息科技有限公司，廣東深圳 518067;3.中國傳媒大學信息工程學院，北京 100024)

0 引言

Ku波段(12 GHz)衛星電視廣播是1977年世界無線電行政會議(WARC)推薦優先使用的波段，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波段衛星電視廣播的優越性更加突出，特別是近年來我國直播衛星的快速發展，對于Ku波段衛星接收天線技術指標提出了一些新的要求。

用于衡量衛星電視直播接收的天線的性能指標主要是定向性、高效率及抗雨衰。該文利用平面結構天線的優點改善其整體性能。通過在基于FDTD算法的電磁仿真軟件GEMS環境下的測試仿真，借助仿真確定天線陣列的幾何參數，并根據仿真結果與實測結果進行分析加工和重設計，優化天線陣的設計以組成更大的天線陣列。

1 天線的設計仿真及優化

在信息傳播應用技術高速發展的今天，使用傳統的實物制作測試再校正的方式已漸漸無法適應現代天線工程設計的需求。借助計算機輔助設計軟件，利用數值計算分析方法進行天線的模擬仿真驗證，正逐步成為目前天線工程領域所廣泛采用的方式，極大地縮減了從設計到實現所需的時間和成本［1］。當前電磁學領域使用較多的方法主要有基于頻域的計算方法和基于時域的計算方法，當前，發展最快、關注最多的當數時域有限差分方法(FDTD)，FDTD算法及其主要公式見參考文獻［2］。

1.1 天線結構設計

通常，Ku波段螺旋陣列天線的設計的總目標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到這個總目標，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，這是因為Ku波段螺旋陣列天線的設計不僅設計簡單，制造工藝也不復雜，并且還有一系列比較成熟的理論作為研究依據［3］。采用的天線結構圈數 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，通過調節h，可以優化螺旋陣元的圓極化。在確定天線單元形狀及尺寸以后，主要的任務就是將天線組成相應的陣列。

在該設計中將逐漸增大天線陣的陣元數目，通過陣元數目的增加來提高天線的增益特性［3］。設計2圈螺旋天線陣的示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 2圈螺旋天線陣結構圖(側視)

圖2 2圈螺旋天線陣結構圖(俯視)

1.2 天線單元的仿真

在實際仿真開始之前，需為天線模型新建一個求解設置項目，用于設定模型的仿真求解參數。由于HFSS軟件采用自適應迭代算法，因此有限元求解的精度與計算時間成反比。而所需的計算時間也與運行軟件的計算機的計算能力有很大關系。常規的Ku波段直播衛星(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λ≈25 mm，螺旋直徑D=4 mm，h=1 mm進行仿真。直徑D和參數h的最終數值，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向高頻率移動，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，軸比在12 GHz附近取得最小值，且在11.7～12.2 GHz頻段內有獲得較好的軸比。圖4顯示h＞0.8 mm，隨著h的變大，軸比最小值向低頻移動，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改變對螺旋陣元軸比(AR)的影響

圖4 參數h對螺旋陣元軸比(AR)的影響

結合以上結果，設定螺旋直徑D=7.6 mm，h=0.8 mm，對螺旋單元進行仿真。圖5進一步證明了螺旋直徑D=7.6 mm，h=0.8 mm時，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時仿真輻射方向圖

圖6的仿真結果可得到，D=7.6 mm，h=0.8 mm時，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，滿足設計的要求。

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網絡分析儀，對實物進行測量。7圈螺旋陣列天線(168個陣元)的測試結果如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 天線陣在12 GHz時XOZ平面方向圖

圖8 天線陣在12 GHz時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測結果

2.2 實驗結果分析

因Ku波段頻率較高，這個頻段天線尺寸較小，對加工精度要求較高。天線陣元的測量結果抖動較大，由天線單元的仿真可知，0.1 mm的差距也會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 結束語

使用GEMS對選用的天線單元進行設計、仿真和分析，通過調試得到了優化的結果。最后由168個陣元組成7圈螺旋陣列天線，經過測量后，發現仿真結果與實測結果有偏差，并對其做了誤差分析，以分析結果為基礎重新設計了天線陣，經過加工并測試，結果基本符合設計要求。

［1］王洪.電磁仿真軟件HFSS在天線設計中的應用［J］.福建電腦，2010(9):20-21.

［2］葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［3］趙軍倉.C波段微帶陣列天線的設計分析［J］.計算機測量與控制，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.