搜索一種方形寬波束四臂螺旋天線的設計
2018-03-13 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
摘 要:本文提出了一種應用于移動衛星通信系統中的印刷式方形四臂螺旋天線,使用AnsoftHFSS軟件進行建模,對其各參數進行優化,并加工制作了天線實物,進行了測量,測試結果表明,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頻率范圍內駐波比都小于2,實測和仿真結果基本一致。
1 引言
隨著信息化時代的來臨,衛星通信系統、導航系統、定位系統及其相關應用向大容量、多功能、多頻段、超寬帶、小型化方向發展,移動衛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,使其成為常用的衛星通信天線之一。
本文設計了一款應用于移動衛星通信系統中的印刷式四臂螺旋天線,傳統意義上的四臂螺旋天線它在諧振點附近帶寬較窄,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,方形結構可以很好的和手持設備契合,而且具有更高的輻射效率。
2 天線結構
傳統的四臂螺旋天線結構如下圖1所示,當臂長為λ/4的偶數倍時,則非饋電端短路,當臂長為λ/4的奇數倍時,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N、節距S之間的關系為:
本文所設計的四臂螺旋天線基本結構如下圖2所示。輻射臂由LDS技術雕刻到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饋電點,這樣會產生兩個諧振點,調節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。底部用同軸線進行饋電,同軸線連著一個一分四的移相器,四個端口之間幅度相等,相鄰端口之間相位90°相差,實現天線圓極化。
圖1 傳統四臂螺旋天線模型
圖 2 天線仿真模型
3 天線仿真及實測結果
3.1 天線仿真及分析
利用Ansoft 公司的電磁仿真軟件HFSS 軟件進行了仿真,并利用HFSS軟件對天線進行優化,優化后天線的主要參數尺寸為:方形螺旋天線邊長a0=12.5mm,螺距S=16.8mm,螺旋圈數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,天線的諧振點落在所設計的頻段內。在最低點回波損耗為-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。
圖3 天線的回波損耗圖
圖4是天線在中心頻點2.09GHz處的三維輻射方向圖。從仿真結果可以看出,天線的實際增益可以達到4.2dBi,且方向圖繞z軸旋轉對稱。圖5是天線在中心頻點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°范圍內增益都大于3dBi。
圖4 天線的3D輻射方向圖
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,在這個波束范圍內,最小軸比為0.2dB 。不難看出隨著頻率偏離中心頻點,軸比逐漸增大,圓極化性能變差。
圖 6 天線軸比圖
3.2 天線實測結果
下圖7是加工制作的實物圖,饋電部分由同軸線連接了一個一分四的移相器,可以看到整個天線結構緊湊。同時使用矢量網絡分析儀以及暗室對加工制作的天線進行了測量。
圖7 天線實物圖
圖8是在矢量網絡分析儀上測得的駐波比圖形,在1980-2010MHz、2170-2200MHz頻段內駐波均小于2,滿足設計要求。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。
圖8 天線的電壓駐波比
圖9 天線的三維方向圖
4 結論
本文設計了一款方形的寬頻帶寬波束四臂螺旋天線,同時給出了方形四臂螺旋天線的仿真結果和實測數據。結果表明,該天線具有優良的半球型方向圖、廣角圓極化、寬波束等特性,整個天線結構比較緊湊,非常適合用于移動手持終端。
參考文獻
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