一種方形寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)

2018-03-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:本文提出了一種應(yīng)用于移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的印刷式方形四臂螺旋天線,使用AnsoftHFSS軟件進(jìn)行建模,對其各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并加工制作了天線實(shí)物,進(jìn)行了測量,測試結(jié)果表明,天線的3dB軸比寬度為150°,天線的3dB波束寬度為136°,在1980-2010MHz、2170-2200MHz頻率范圍內(nèi)駐波比都小于2,實(shí)測和仿真結(jié)果基本一致。

1 引言

隨著信息化時(shí)代的來臨,衛(wèi)星通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用向大容量、多功能、多頻段、超寬帶、小型化方向發(fā)展,移動衛(wèi)星通信中的天線需要具有寬波束、寬頻帶、圓極化等特性。諧振式四臂螺旋天線具有寬波束、優(yōu)良的廣角圓極化特性、半球形輻射方向圖等性能,使其成為常用的衛(wèi)星通信天線之一。

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的印刷式四臂螺旋天線,傳統(tǒng)意義上的四臂螺旋天線它在諧振點(diǎn)附近帶寬較窄,為此,本文在四臂螺旋天線每一條輻射臂的基礎(chǔ)上再寄生兩條輻射臂,以增寬頻帶寬度。相對于常用的圓柱形螺旋天線,方形結(jié)構(gòu)可以很好的和手持設(shè)備契合,而且具有更高的輻射效率。

2 天線結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)如下圖1所示,當(dāng)臂長為λ/4的偶數(shù)倍時(shí),則非饋電端短路,當(dāng)臂長為λ/4的奇數(shù)倍時(shí),則非饋電端開路。螺旋臂一圈周長L1、螺旋天線軸長L2,螺旋直徑D、螺旋圈數(shù)N、節(jié)距S之間的關(guān)系為:

一種方形寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)HFSS分析圖片1

本文所設(shè)計(jì)的四臂螺旋天線基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。輻射臂由LDS技術(shù)雕刻到ABS材料上,主輻射臂由四條長度略短于4 *λ/4的金屬條帶組成,其寬度為a1。寄生輻射臂由八條長度略長于4*λ/4的金屬條組成,其寬度為w1,其中在天線的非饋電端將寄生輻射臂短路,饋電端將主輻射臂和寄生輻射臂相連并連接同一個(gè)饋電點(diǎn),這樣會產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn),調(diào)節(jié)主輻射臂和寄生輻射臂的長度使它們諧振在所需要的頻段內(nèi)。底部用同軸線進(jìn)行饋電,同軸線連著一個(gè)一分四的移相器,四個(gè)端口之間幅度相等,相鄰端口之間相位90°相差,實(shí)現(xiàn)天線圓極化。

一種方形寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)HFSS分析圖片2

圖1 傳統(tǒng)四臂螺旋天線模型

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圖 2 天線仿真模型

3 天線仿真及實(shí)測結(jié)果

3.1 天線仿真及分析

利用Ansoft 公司的電磁仿真軟件HFSS 軟件進(jìn)行了仿真,并利用HFSS軟件對天線進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后天線的主要參數(shù)尺寸為:方形螺旋天線邊長a0=12.5mm,螺距S=16.8mm,螺旋圈數(shù)N=1.25,升角α=。主輻射臂寬度a1=2.3mm,寄生輻射臂寬度w1= 1.5mm。下圖3是仿真的回波損耗圖,天線的諧振點(diǎn)落在所設(shè)計(jì)的頻段內(nèi)。在最低點(diǎn)回波損耗為-23dB,天線的上行10dB阻抗帶寬為3.3%,絕對帶寬為66MHz。天線的下行10dB阻抗帶寬2.5%,絕對帶寬為54MHz。

一種方形寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)HFSS分析圖片4

圖3 天線的回波損耗圖

圖4是天線在中心頻點(diǎn)2.09GHz處的三維輻射方向圖。從仿真結(jié)果可以看出,天線的實(shí)際增益可以達(dá)到4.2dBi,且方向圖繞z軸旋轉(zhuǎn)對稱。圖5是天線在中心頻點(diǎn)2.09GHz處仿真的左旋、右旋增益方向圖,天線的左、右旋極化隔離度為45dB,天線在68°范圍內(nèi)增益都大于3dBi。

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圖4 天線的3D輻射方向圖

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圖 5 天線左旋和右旋圓極化輻射方向圖

圖6是仿真的天線軸比圖,天線的3dB軸比帶寬為,在這個(gè)波束范圍內(nèi),最小軸比為0.2dB 。不難看出隨著頻率偏離中心頻點(diǎn),軸比逐漸增大,圓極化性能變差。

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圖 6 天線軸比圖

3.2 天線實(shí)測結(jié)果

下圖7是加工制作的實(shí)物圖,饋電部分由同軸線連接了一個(gè)一分四的移相器,可以看到整個(gè)天線結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及暗室對加工制作的天線進(jìn)行了測量。

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圖7 天線實(shí)物圖

圖8是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測得的駐波比圖形,在1980-2010MHz、2170-2200MHz頻段內(nèi)駐波均小于2,滿足設(shè)計(jì)要求。圖9是在暗室中測得的天線中心頻率2090MHz處天線的三維方向圖。

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圖8 天線的電壓駐波比

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圖9 天線的三維方向圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款方形的寬頻帶寬波束四臂螺旋天線,同時(shí)給出了方形四臂螺旋天線的仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,該天線具有優(yōu)良的半球型方向圖、廣角圓極化、寬波束等特性,整個(gè)天線結(jié)構(gòu)比較緊湊,非常適合用于移動手持終端。

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