一种超宽带半球柱面螺旋天线的研究

引 言

在移动终端的卫星通信中,为了维持与卫星信号的通信链路,往往要求天线具有圆极化的特性. 圆极化天线阵列单元通常采用圆柱面螺旋天线与微带天线,普通圆极化微带天线通常带宽较窄,尺寸较大;圆柱面螺旋天线在轴向辐射时,带宽较窄,实现圆极化需要的较多圈数增大了天线的体积. 球面螺旋天线将螺旋线缠绕在球面上,具有体积小、宽带、圆极化的特点,适用于卫星通信地面站、无线通信等领域.

J. C. Cardoso 和 A. Safaai-Jazi详细分析了球面螺旋天线的阻抗特性及圆极化特性[1],其具有圆极化、宽波束的特征,但是很难在平地上保持垂直放置,因此H. T. Hui等人又提出了半球面螺旋天线[2],它的高度仅为球面螺旋天线的一半,能够稳定在平面上,具有更加稳定的机械结构,并且性能与球面螺旋天线相类似. Y. Zhang与H. T. Hui提出了一种用于GPS接收机的半球面螺旋天线[3],其印刷在半球面介质上,具有更加稳固的结构并且易于加工,但阻抗带宽及轴比带宽大约都仅有6%.T A Latef在文献[4-7] 中研究了一系列球面螺旋天线及其组阵. 文献[4]中分析了一种印刷在聚苯乙烯介质上的半球面螺旋天线,采用寄生结构来展宽天线带宽;文献[5]中,研究了不同介质层数及介电常数下半球面螺旋天线的性能,展宽了波束宽度,阻抗带宽和轴比带宽分别为9%和5%,波束宽度能达到135°;结合文献[4]及文献[5],于文献[6]中研究了一种多层介质支撑的带有寄生线的球面螺旋天线,带宽大约为8%;随后,文献[7]进一步组阵研究了三单元球面螺旋天线阵,分析了球面螺旋天线间距及摆放角度对阵列性能的影响,阵列轴比带宽可达到11%,波束宽度达到136°. 文献[8]提出了一种超宽带半球面螺旋天线,使用渐变的金属条来取代细铜线,在阻抗变换部分金属条的高度采用指数变化,宽度采用正弦变化,可以得到的阻抗带宽超过50%,轴比带宽大约24%,但是机械机构不稳定且加工构造困难.

本文设计了一款半球柱面螺旋天线,具有小型化、圆极化、超宽带等特性. 天线由辐射部分、阻抗变换部分及反射板构成,采用HFSS仿真软件对天线的结构参数进行优化设计,得到天线的最终尺寸,并加工测试.

1 半球面螺旋天线的结构

1.1 半球面螺旋天线模型

半球面螺旋天线是一种以螺旋方式缠绕在半球面上的线天线,相对于球面螺旋天线,其具有较为稳定的机械结构. 通常采用细铜线缠绕,在天线下方加垂直于轴向放置的圆形反射板增强轴向辐射特性,使用同轴馈电,同轴内导体接细铜线,外导体接地. 在极坐标下,该天线方程式表示为

(1)

此外,球面螺旋天线可分为等螺距球面螺旋天线与等弧距球面螺旋天线.

令θ=φ/(2N),则为等弧距球面螺旋天线,经过坐标变换并代入方程,在直角坐标下方程可表示为

(2)

式中:r是天线所缠绕球面的半径;N 是缠绕的螺旋圈数; θ和φ分别为天线的俯仰角和方位角.

1.2 半球面螺旋天线设计及优化

根据球面螺旋天线理论并结合HFSS仿真软件,本文设计了一款用于S波段的球柱面螺旋天线,其结构如图1所示,介质支撑为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE),介电常数为2.1,介质支撑使天线机械结构稳定并易于实现;将直径为0.8 mm的细铜丝以螺旋方式缠绕在介质半球上,以三节方式缠绕在柱面上;采用半径为50 mm的反射板使天线定向辐射. 螺旋天线部分的总体尺寸为40 mm×40 mm×31.4 mm,工作频段大约为2.45～3 GHz,天线尺寸较小.

图1 半球柱面螺旋天线结构图
Fig.1 The structure of hemisphere cylindrical helical antenna

根据球面螺旋天线理论,可知球面周长C为0.75λ～2.0λ时,天线工作在轴向模,此时天线具有圆极化特性. 根据设计需求,天线工作在S波段,半球半径固定为a=20 mm,天线频率在C/λ为1.1～1.28时,有较为稳定的辐射方向图和阻抗特性.

根据J. C. Cardoso及H. T. Hui等人的研究及HFSS软件仿真分析,螺旋圈数N=3.5时,天线圆极化特性及阻抗特性最好. 为了验证最佳螺旋圈数,使用HFSS仿真软件对其进行仿真优化,如图2所示．可知N=3.5时天线圆极化带宽和阻抗带宽具有最大的重合部分.

(a) 螺旋圈数对回波损耗S11的影响
(a) The influence of helical turns on return loss S11

(b) 螺旋圈数对轴比(axial ratio,AR)的影响
(b) The influence of helical turns on AR
图2 螺旋圈数对天线性能的影响
Fig.2 The influence of helical turns on antenna performance

2 天线匹配部分分析及优化

2.1 匹配部分分析

半球面螺旋天线的阻抗与50 Ω同轴线不匹配,为了进行阻抗匹配,得到较宽的阻抗带宽及较好的圆极化特性,在半球柱面螺旋天线圆柱部分使用三段曲折线铜丝,铜丝一端连在螺旋线上,一端接同轴内芯. 曲折线的三段长度分别为L1、L2、L3,通过L2、L3引入等效L节匹配网络,进行阻抗匹配. 等效电路图如图3所示,阻抗匹配段平行于反射板的部分(L2)等效为电感,L2与反射板之间的部分等效为电容. 阻抗匹配对比图如图4所示,无PTFE介质支撑的半球面螺旋天线阻抗实部在2.7～3.8 GHz范围内较为平缓,加入PTFE介质的半球面螺旋天线,在2.3 GHz(C/λ=0.96)～3.3 GHz(C/λ=1.38)内,阻抗实部R较为平缓,变化范围为65 ～110 Ω,阻抗虚部X从-100 Ω变化到70 Ω,经过等效L节匹配网络后,在频率为2.3 ～3.3 GHz范围内,天线阻抗实部变为35～68 Ω,虚部为-12～20 Ω,实现了阻抗匹配.

(a) 阻抗匹配部分 (b) 阻抗匹配等效电路
(a) Matching section (b) Equivalent circuit
图3 阻抗匹配段及等效电路图
Fig.3 Impedance matching section and equivalent circuit

图4 阻抗匹配前后天线阻抗对比
Fig.4 Comparison of antenna impedance with impedance matching

2.2 匹配部分优化

根据球面螺旋天线理论及HFSS仿真分析,天线半径、螺旋线圈数均已确定,天线特性主要受曲折线匹配段影响,为了研究阻抗匹配段对天线特性的影响并得到合适的尺寸,使用HFSS仿真软件对球面螺旋天线曲折线匹配段L1、L2、L3进行参数扫描分析.

天线阻抗匹配垂直段L1主要表示天线到反射板的距离,对轴比影响较大,距离合适时,天线才能辐射圆极化波. L1对回波损耗及轴比的影响如图5所示,随着L1的逐渐减小,阻抗带宽增大,阻抗高频带宽扩展,轴比带宽减小. 综合考虑阻抗带宽和轴比带宽,将L1选择为10 mm,阻抗带宽和轴比带宽有最大的重合部分.

天线阻抗匹配平行段L2平行于反射板,铜丝环绕在圆柱形PTEE介质上,其对天线回波损耗影响较大,对轴比影响较小,如图6所示. 随着L2的增大,天线阻抗带宽先增大后减小,对天线轴比影响不大,因此选择L2=18.84 mm.

(a) L1对回波损耗的影响
(a) The influence of L1 on return loss

(b) L1对轴比的影响
(b) The influence of L1 on AR
图5 L1对天线结果的影响
Fig.5 The influence of L1 on antenna performance

(a) L2对回波损耗的影响
(a) The influence of L2 on return loss

(b) L2对轴比的影响
(b) The influence of L2 on AR
图6 L2对天线结果的影响
Fig.6 The influence of L2 on antenna performance

天线阻抗匹配垂直调节段L3可以调整平行段L2与地板的距离,即改变L2与地板间形成的电容大小,从而与L2共同调节阻抗带宽,L3对回波损耗及轴比的影响如图7所示. L3增加时,阻抗带宽增大,天线轴比先减小后增大,变化不大,但是轴比中间凸起部分逐渐接近3 dB. 综合考虑阻抗带宽和轴比带宽、剖面,将L3选择为1.4 mm.

(a) L3对回波损耗的影响
(a) The influence of L3 on return loss

(b) L3对轴比的影响
(b) The influence of L3 on AR
图7 L3对天线结果的影响
Fig.7 The influence of L3 on antenna performance

综合以上分析,可以看出,L1主要影响天线轴比,L2、L3主要影响天线阻抗,与图3中等效电路图的分析相符. 综合考虑,可以得到优化尺寸L1=10 mm,L2=18.84 mm,L3=1.4 mm.

3 天线实测结果及分析

经过HFSS仿真得到天线最佳尺寸后,加工天线并进行组装,天线加工实物图如图8所示.

使用矢量网络分析仪测试天线的S11,微波暗室测试系统NSI2000测量天线的轴比、方向图及增益,并将实测结果与仿真结果对比.

天线仿真与实测的S11、轴比、增益对比分别如图9、图10、图11所示. 从图9可以看出仿真阻抗带宽范围为2.4～3.3 GHz(31.6%),实测阻抗带宽范围为2.3～3.2 GHz(32.7%). 阻抗带宽范围基本吻合,实测比仿真略微向低频偏移,大约偏移0.1 GHz. 由图10可得,仿真轴比带宽范围为2.48～3.05 GHz(20.6%),实测轴比带宽范围为2.45～3.0 GHz(20.2%),轴比带宽范围基本吻合,实测比仿真略微向低频偏移,仿真轴比小于实测轴比,二者基本趋势相同. 与文献[1]中球面螺旋天线相比具有更低的剖面与更宽的带宽;与文献[6]中半球面螺旋天线8%的轴比带宽相比,轴比带宽提高了150%,剖面略高. 图11给出了天线仿真与实测的增益对比,带宽范围内,仿真的最大增益为9.2 dB,最低增益为7.8 dB,实测的最大增益为9.1 dB,最低增益为7.7 dB. 天线增益随频率升高反而下降的原因是,球柱面螺旋天线主要辐射模式为轴向模时,同时包含有法向模和圆锥模,随着频率的升高,该天线主要辐射模式中圆锥模的部分逐渐增大,从而导致增益降低. 3 GHz之内阻抗特性及圆极化特性良好,此时圆锥模虽然导致增益降低,但并未过于影响天线圆极化性能. 频率升高3.9 GHz后,z轴方向增益剧烈下降,主要辐射模式变为圆锥模,圆极化性能下降,但此时已不在天线工作频段之内.

图8 半球柱面螺旋天线实物图
Fig.8 The prototype of hemisphere cylindrical helical antenna

图9 天线仿真与实测的S11对比
Fig.9 Comparison of simulated and measured S11 for the antenna

图10 天线仿真与实测的轴比对比
Fig.10 Comparison of simulated and measured axial ratios for the antenna

图11 天线仿真与实测的增益对比
Fig.11 Comparison of simulated and measured gain for the antenna

图12、图13、图14分别给出了天线在频率为2.5 GHz、2.7 GHz、3.0 GHz的远场E面(yoz平面)和H面(xoz平面)方向图,其为归一化二维方向图, 实线为仿真结果,虚线为实测结果. 图12表明频率为2.5 GHz时,仿真与测试结果基本吻合. 在xoz平面仿真和实测的3 dB波束宽度分别为64°和59°,在yoz平面仿真和实测波束宽度分别为66°和62°,实测波束宽度窄于仿真波束宽度. 图13表明频率为2.7 GHz时,仿真与实测结果基本吻合. 在xoz平面仿真和实测的3 dB波束宽度分别为64°和57°,在yoz平面仿真和实测均为66°. 图14表明频率为3 GHz时,实测和仿真结果基本吻合. 在xoz平面仿真和实测的3 dB波束宽度分别为81°和84°,在yoz平面仿真和实测波束宽度分别为77°和74°. 该天线主极化为左旋圆极化,交叉极化为右旋圆极化. 2.5 GHz、2.7 GHz、3 GHz三个频率实测与仿真的主极化与交叉极化之比均大于14 dB,左旋圆极化辐射特性较好.

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)
(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)
图12 2.5 GHz天线仿真与实测的方向图对比
Fig.12 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 2.5 GHz

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)
(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)
图13 2.7 GHz天线仿真与实测的方向图对比
Fig.13 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 2.7 GHz

(a) xoz平面(H面) (b) yoz平面(E面)
(a) xoz-plane (H-plane) (b) yoz-plane (E-plane)
图14 3 GHz天线仿真与实测的方向图对比
Fig.14 Comparison of simulated and measured radiation patterns for the antenna at 3 GHz

由以上几个频点的归一化二维方向图可知,在带宽范围内,方向图的实测结果和仿真结果基本吻合,且随着频率的增加,方向图的尾瓣减小,3 GHz时的波束宽度宽于2.5 GHz及2.7 GHz.

4 结 论

由于球面螺旋天线具有圆极化、宽带的特性,因此本文设计了一款超宽带半球柱面螺旋天线,L节等效匹配网络的引入扩展了天线带宽,与普通球面螺旋天线及半球面螺旋天线相比,其机械结构稳定且带宽较宽,尺寸较小,天线直径大约为0.36λ0. 天线仿真和测试的阻抗带宽分别能达到31.6%(2.4～3.3 GHz)及32.7%(2.3～3.2 GHz),仿真和测试的轴比带宽分别为20.6%(2.48～3.05 GHz)及20.2%(2.45～3.0 GHz),工作频带内最高增益能达到9.1 dB. 实验表明,本文天线具有良好的阻抗特性、圆极化特性及相对较高的增益,可以将单元进行组阵用于卫星通信、航空航天等领域.