基于FEKO的雙極化振子天線設計與仿真研究

宋立眾，房 亮，聶玉明，張 敏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海) 信息與電氣工程學院，山東 威海 264209；2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)

微波技術與天線課程是高等學校電子信息類專業(yè)的重要課程，該課程的理論教學與實驗教學具有較大的難度，學生的學習面臨較大困難。另外，微波技術與天線的實驗教學所需要的實驗設備和元器件的價格也較昂貴。采用目前流行的全波電磁仿真軟件進行數(shù)值模擬實驗，將先進的微波電路和天線設計與仿真技術引入教學環(huán)節(jié)，不但使原有的實驗項目得到補充，而且可以使學生了解和掌握目前主流的微波電路與天線的設計方法，促進教學效果的提升[1-2]。本文通過對一個雙極化振子天線的設計與仿真過程，說明電磁場全波仿真軟件FEKO在實驗教學中的應用[3-5]。

1 電磁仿真軟件FEKO介紹

FEKO軟件是用于天線設計和電磁仿真的專業(yè)電磁場分析軟件，它基于矩量法，非常適合于天線設計中的各類電磁場分析問題。并且FEKO軟件支持天線工程中的各種激勵方式，如線端口饋電和波導端口饋電,通過矩量法積分表面電流，從而輸出天線的各種電性能參數(shù)。在計算電磁學中，矩量法求解過程簡單，求解步驟統(tǒng)一，可以達到所需要的精確度，但計算量很大。矩量法在天線分析和電磁場散射問題中被廣泛地應用，例如用于天線和天線陣的輻射計算。

FEKO軟件提供了專用于大尺寸復雜結構問題的高頻方法——物理光學方法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)。FEKO軟件實現(xiàn)了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根據(jù)用戶的需要進行快速、精確的電磁計算。對于電大尺寸的計算問題，可考慮使用混合方法來進行數(shù)值模擬。對關鍵性的部位使用矩量法，對其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根據(jù)不同的電磁問題，對混合方法進行組合，可按用戶需要得到滿意的精度和速度。另外，對PO方法，F(xiàn)EKO使用了棱邊修正項和模擬凸表面爬行波的?？穗娏鳌８鶕?jù)計算機硬件條件和待求解問題精度要求的不同，F(xiàn)EKO軟件可以求解成百上千個波長的問題[6-10]。

本文利用FEKO軟件，通過對天線單元網(wǎng)格化，再按照矩量法的思想，通過積分計算單元表面電流，再與格林函數(shù)相乘，得到天線輻射方向圖。FEKO軟件的仿真精度可以達到實際的精度要求，不過矩量法的計算量很大，對計算機要求很高，計算比較費時。

2 雙極化振子天線設計

本文設計的蝶形天線是一種屬于正交放置的雙極化天線。因為2個天線單元在中心處互相交叉，導致振子之間的距離很大，阻抗匹配較為困難，所以在饋線處做了開槽處理，便于阻抗匹配。蝶形天線的輻射為全向輻射，故而在天線下方加入一塊錐形地板，使其更接近于定向輻射。天線的主要尺寸由工作頻率決定。設計時，先設計其中一個單極化的蝶形天線，通過簡單參數(shù)調整得到另一個天線,再將這2個天線正交放置,即得到雙極化的蝶形天線單元。

2.1 蝶形天線單元振子臂形式選擇

蝶形天線的振子臂形式?jīng)Q定著蝶形天線表面電流的分布，故而它的形式較為重要。在天線振子臂結構的選擇上，分別針對三角形、扇形、半球形3種振子臂形式進行了建模仿真，分別比較他們各自的輸入阻抗特性。對于普通單極化蝶形天線，振子臂間的間距是越小越好的，但為了實現(xiàn)天線雙極化，故而使振子臂間距很大，以保證兩個單極化的天線可以在中心正交放置。為了便于比較3種振子臂的特性，其中令振子臂間距固定為1.2 mm，同樣工作在工作頻點f0，總長度保持8 mm，在FEKO軟件中采用點到點離散端口饋電。分別計算其各自的端口阻抗Z(見表1)。

表1 三種振子臂端口阻抗

將各振子臂進行理想的阻抗匹配處理后，即在離散端口處將端口阻抗設為表1所示的振子臂端口阻抗。理論上，天線振子臂邊緣經(jīng)過圓滑后，可以減少振子臂的表面電流的反射，使半球形的振子臂表面更為平滑；可以消除表面電流的迅速突變點，進一步減少天線表面電流之間的相互反射，使其表面電流分布更為平滑，減少表面電流衰減。半球形的振子臂也是一種天線小型化技術的實現(xiàn)，在同樣的尺寸下，其輻射表面積最大。

仿真結果表明，三角形振子臂的蝶形天線電壓駐波比1.5以下的阻抗帶寬約為1.18 GHz，在同樣的長度下,扇形振子臂蝶形天線的阻抗帶寬約為1.35 GHz，而半球形振子臂蝶形天線的阻抗帶寬達到了2.1 GHz。半球形振子臂蝶形天線的電壓駐波比仿真結果如圖1所示。從表1可以看出，半球形振子臂蝶形天線的端口輸入阻抗最小，虛部也小，天線阻抗也便于饋線進行阻抗變換時的連接。無論天線調配，還是天線的饋線連接，半球形振子臂都具有很大的優(yōu)越性，并且易于實現(xiàn)雙極化。故而，本文選擇半球形振子臂作為蝶形天線單元設計中的輻射振子臂。

圖1 半球形振子臂蝶形天線的電壓駐波比仿真

2.2 蝶形天線基本結構

雙極化蝶形振子天線由兩個結構類似的單極化蝶形天線單元正交放置構成，每個單極化蝶形天線都采用了半球形振子臂，在蝶形天線的下方加置一塊錐形金屬地板，這兩個單極化蝶形天線單元分別被稱為天線1和天線2。圖2給出了單極化蝶形天線的結構，其饋電方法是由同軸線直連微帶線，再通過一個短路線巴倫對端口進行饋電。在圖2中，R1、R2分別為天線1和天線2的振子的半徑，L1、L2分別為天線1和天線2的振子間的距離，Dm1、Dm2分別為天線1和天線2空氣微帶線的空氣間隙厚度，W1、W2分別為天線1和天線2的地板直徑，h1、h2分別為天線1和天線2振子距地板高度。

圖2 蝶形天線結構示意圖

地板除了起反射板的作用外，它的尺寸還限制了整個天線的尺寸，即：

Max{(R1×2+L1+Dm),(R2×2+L2+Dm)}≤W

2.3 蝶形天線饋線設計

天線饋線的作用就是將50Ω同軸電纜與天線輸入端口連接并實現(xiàn)阻抗匹配。為了實現(xiàn)阻抗匹配，設計了同軸線轉微帶線阻抗變換結構，并且為了實現(xiàn)平衡饋電，使用了一個λ/4的短路線巴倫(見圖3)。仿真表明，該饋線具有較好的阻抗匹配功能。

圖3 饋線模型

在實際設計中，就是將50Ω的同軸電纜線變換到微帶線上，微帶線的阻抗需要與同軸電纜一致，目的是減少電流反射。通過微帶線的傳輸及電磁耦合效應，在理想條件下，可近似等效T型電路進行阻抗變換。

2.4 地板對天線的影響

蝶形天線是一種全向天線，為了將其改為定向天線，就需要在下方約λ/4處加一塊反射板。在本天線的設計中，使用了一個λ/4巴倫的平衡器。該平衡器直接連接反射板，使反射板具有地板的功能。在設計寬帶天線中，由于其波長變化較大，所以在下方約λ/4處的位置處采用錐形的地板，其高度hz為：

hz≈(λmin+λmax)/4-λo/4

式中，λmin、λmax與λo分別是工作帶寬對應的最小波長、最大波長及中心頻率對應的波長?？紤]到精度問題，取λz=0.2mm；而由于天線單元的限制，所以地板直徑W≈0.5λ，其余的各項參數(shù)皆由工作頻率限制。在電磁仿真軟件FEKO中建立其仿真的電磁模型，由圖2正交放置而成，便構成了雙極化蝶形天線(見圖4)。該天線有2個饋電端口，下面的錐形板作為地板起到反射作用，相對于振子來講，尺寸小，會導致天線后瓣較大。當天線單元組成陣列后，多個地板相連，擴大了地板面積，地板相對振子臂尺寸的面積會很大，于是后瓣問題在陣列中不會存在。

圖4 雙極化蝶形天線仿真模型

2.5 蝶形天線優(yōu)化設計方法

對于蝶形天線，可以采用對天線振子臂加入LC結構的方法展寬其工作帶寬。由于本文討論的蝶形天線的帶寬已經(jīng)能夠滿足要求，因此沒有對其進行LC加載，但該天線饋線相對地板較大，故而在饋線處作了開槽處理，如圖5所示。開槽后輻射電流也會增強，開槽的大小也決定著天線的工作帶寬，所以在設計饋線時，不僅要考慮微帶線的寬度，還要考慮饋線對天線振子諧振點的影響。饋線在傳輸能量的過程中產(chǎn)生的能量損耗對天線的阻抗匹配程度有很大影響，在饋線處連續(xù)開槽，可能會起到更好的效果。

圖5 饋線開槽示意圖

3 雙極化振子天線仿真分析

本文對設計的雙極化蝶形天線進行了仿真。仿真結果表明，該蝶形天線單元的電壓駐波比小于1.5，以其工作頻點f0為中心頻率的帶寬為1.3GHz，電壓駐波比指標達到了設計要求。圖6和圖7分別給出了在工作頻點f0上的天線線單元1的輻射增益方向圖和軸比方向圖，圖8和圖9分別給出了在工作頻點f0上的天線線單元2的輻射增益方向圖和軸比方向圖。從兩個端口輻射方向圖可以看出，天線的增益大致高于3dB，與理想的蝶形天線的增益相差不大，其半功率波束寬度為70°左右。天線后瓣電平較大，其前后比僅為2dB，這是由于在設計蝶形天線時將地板尺寸限制到半波長的原因。該蝶形天線的輻射方向圖在兩個邊頻頻點與中心頻點f0上的輻射方向圖變化不大，故而其輻射方向圖可在工作帶寬內(nèi)保持良好的特性。同時，該天線的兩個極化端口的電壓駐波比仿真結果曲線幾乎一致，也可以看出該雙極化蝶形天線中的兩個天線單元比較對稱，其特性也基本一致。在工作帶寬內(nèi)，主輻射方向上的兩個極化端口的軸比都在30dB以上，說明這兩個極化端口的輻射場的極化特性都較為理想。

圖6 蝶形天線單元1端口輻射方向圖

圖7 蝶形天線單元1端口軸比方向圖

圖8 蝶形天線單元端口2的輻射方向圖

圖9 蝶形天線單元端口2的軸比方向圖

4 結束語

本文提出了在微波技術與天線實驗教學環(huán)節(jié)中引入電磁仿真技術的教學改革思想，以達到提高教學效果的目的。以全波電磁仿真軟件FEKO為工具，設計和仿真了一種雙極化蝶形振子天線，給出了具體的仿真和分析結果，設計的雙極化蝶形振子天線達到了預期的技術指標?？梢钥闯?，在微波技術與天線實驗教學中引入電磁仿真技術可以與工程實踐接軌，有助于提高學生的學習興趣，具體的教學環(huán)節(jié)安排是我們今后的教學任務之一。

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