搜索一种方形宽波束四臂螺旋天线的设计
2018-03-13 by:CAE仿真在线 来源:互联网
摘 要:本文提出了一种应用于移动卫星通信系统中的印刷式方形四臂螺旋天线,使用AnsoftHFSS软件进行建模,对其各参数进行优化,并加工制作了天线实物,进行了测量,测试结果表明,天线的3dB轴比宽度为150°,天线的3dB波束宽度为136°,在1980-2010MHz、2170-2200MHz频率范围内驻波比都小于2,实测和仿真结果基本一致。
1 引言
随着信息化时代的来临,卫星通信系统、导航系统、定位系统及其相关应用向大容量、多功能、多频段、超宽带、小型化方向发展,移动卫星通信中的天线需要具有宽波束、宽频带、圆极化等特性。谐振式四臂螺旋天线具有宽波束、优良的广角圆极化特性、半球形辐射方向图等性能,使其成为常用的卫星通信天线之一。
本文设计了一款应用于移动卫星通信系统中的印刷式四臂螺旋天线,传统意义上的四臂螺旋天线它在谐振点附近带宽较窄,为此,本文在四臂螺旋天线每一条辐射臂的基础上再寄生两条辐射臂,以增宽频带宽度。相对于常用的圆柱形螺旋天线,方形结构可以很好的和手持设备契合,而且具有更高的辐射效率。
2 天线结构
传统的四臂螺旋天线结构如下图1所示,当臂长为λ/4的偶数倍时,则非馈电端短路,当臂长为λ/4的奇数倍时,则非馈电端开路。螺旋臂一圈周长L1、螺旋天线轴长L2,螺旋直径D、螺旋圈数N、节距S之间的关系为:
本文所设计的四臂螺旋天线基本结构如下图2所示。辐射臂由LDS技术雕刻到ABS材料上,主辐射臂由四条长度略短于4 *λ/4的金属条带组成,其宽度为a1。寄生辐射臂由八条长度略长于4*λ/4的金属条组成,其宽度为w1,其中在天线的非馈电端将寄生辐射臂短路,馈电端将主辐射臂和寄生辐射臂相连并连接同一个馈电点,这样会产生两个谐振点,调节主辐射臂和寄生辐射臂的长度使它们谐振在所需要的频段内。底部用同轴线进行馈电,同轴线连着一个一分四的移相器,四个端口之间幅度相等,相邻端口之间相位90°相差,实现天线圆极化。
图1 传统四臂螺旋天线模型
图 2 天线仿真模型
3 天线仿真及实测结果
3.1 天线仿真及分析
利用Ansoft 公司的电磁仿真软件HFSS 软件进行了仿真,并利用HFSS软件对天线进行优化,优化后天线的主要参数尺寸为:方形螺旋天线边长a0=12.5mm,螺距S=16.8mm,螺旋圈数N=1.25,升角α=。主辐射臂宽度a1=2.3mm,寄生辐射臂宽度w1= 1.5mm。下图3是仿真的回波损耗图,天线的谐振点落在所设计的频段内。在最低点回波损耗为-23dB,天线的上行10dB阻抗带宽为3.3%,绝对带宽为66MHz。天线的下行10dB阻抗带宽2.5%,绝对带宽为54MHz。
图3 天线的回波损耗图
图4是天线在中心频点2.09GHz处的三维辐射方向图。从仿真结果可以看出,天线的实际增益可以达到4.2dBi,且方向图绕z轴旋转对称。图5是天线在中心频点2.09GHz处仿真的左旋、右旋增益方向图,天线的左、右旋极化隔离度为45dB,天线在68°范围内增益都大于3dBi。
图4 天线的3D辐射方向图
图 5 天线左旋和右旋圆极化辐射方向图
图6是仿真的天线轴比图,天线的3dB轴比带宽为,在这个波束范围内,最小轴比为0.2dB 。不难看出随着频率偏离中心频点,轴比逐渐增大,圆极化性能变差。
图 6 天线轴比图
3.2 天线实测结果
下图7是加工制作的实物图,馈电部分由同轴线连接了一个一分四的移相器,可以看到整个天线结构紧凑。同时使用矢量网络分析仪以及暗室对加工制作的天线进行了测量。
图7 天线实物图
图8是在矢量网络分析仪上测得的驻波比图形,在1980-2010MHz、2170-2200MHz频段内驻波均小于2,满足设计要求。图9是在暗室中测得的天线中心频率2090MHz处天线的三维方向图。
图8 天线的电压驻波比
图9 天线的三维方向图
4 结论
本文设计了一款方形的宽频带宽波束四臂螺旋天线,同时给出了方形四臂螺旋天线的仿真结果和实测数据。结果表明,该天线具有优良的半球型方向图、广角圆极化、宽波束等特性,整个天线结构比较紧凑,非常适合用于移动手持终端。
参考文献
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