超寬帶縫隙螺旋天線仿真與教學(xué)應(yīng)用研究

宋立眾，王 淼，聶玉明，房 亮，張 敏

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100081）

微波技術(shù)與天線課程是高等學(xué)校中電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)、電波傳播與天線、通信工程以及電子信息工程等專業(yè)的重要技術(shù)課程，越來(lái)越受到重視［1－3］。由于微波技術(shù)與天線是一門實(shí)踐性和工程性較強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程教學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)是在微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室或者微波暗室中進(jìn)行的，包含微波測(cè)量線系統(tǒng)和天線測(cè)試系統(tǒng)等，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，測(cè)試系統(tǒng)十分復(fù)雜，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中感覺(jué)難度很大。隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，全波電磁仿真已成為主流的微波電路與天線設(shè)計(jì)方法，因此，在高等學(xué)校微波技術(shù)與天線課程中引入全波電磁仿真技術(shù)具有重要的意義［4－6］。

超寬帶通信和雷達(dá)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高分辨率和強(qiáng)抗干擾能力，因而獲得廣泛應(yīng)用。超寬帶天線是超寬帶電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，平面型螺旋天線是常用的超寬帶天線形式［7－9］。本文提出將全波電磁仿真軟件CST引入天線設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并以超寬帶天線科研項(xiàng)目為背景，開(kāi)展縫隙結(jié)構(gòu)等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線的設(shè)計(jì)性仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入電磁仿真的可行性和有效性，為電磁仿真技術(shù)在微波技術(shù)與天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 基于電磁仿真軟件CST的微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式分析

微波技術(shù)與天線課程涵蓋了微波無(wú)源電路和天線技術(shù)的內(nèi)容，既有與電磁場(chǎng)相關(guān)的知識(shí)，也有電路方面的內(nèi)容，需要學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)知識(shí)和較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。傳統(tǒng)的微波無(wú)源電路實(shí)驗(yàn)采用波導(dǎo)測(cè)量線系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)行電磁波的觀測(cè)、信號(hào)參數(shù)的測(cè)量以及微波器件的參數(shù)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)。在微波暗室內(nèi)進(jìn)行的傳統(tǒng)天線實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試天線的輸入駐波比、端口隔離度、增益、方向圖和極化等參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是學(xué)生可以直接使用微波設(shè)備，可以獲得很好的感性認(rèn)識(shí)。

但是，近年來(lái)微波技術(shù)與天線的設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生了巨大的變化，全波電磁仿真已成為主流的設(shè)計(jì)方法。因此，在高校微波技術(shù)與天線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入全波電磁仿真技術(shù)，是對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，是一種有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

在該教學(xué)模式中，將實(shí)驗(yàn)分成兩部分，一部分是傳統(tǒng)的微波技術(shù)與天線的硬件電路實(shí)驗(yàn)，另一部分是以科研項(xiàng)目為背景的軟件設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握基于全波電磁軟件的微波電路和天線的設(shè)計(jì)方法。

CST軟件是德國(guó)CST公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)無(wú)源微波器件及天線仿真軟件包，特別適合于快速、有效地設(shè)計(jì)和分析天線、濾波器、耦合器、印刷電路板等。該軟件采用有限積分法，對(duì)時(shí)域信號(hào)采用離散傅里葉變換，能夠一次計(jì)算得到整個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)的散射參量。用該軟件進(jìn)行實(shí)體建模的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)建模器的全參量化，添加約束條件后，可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真。該軟件采用多級(jí)子網(wǎng)技術(shù)，能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)剖分效率及精度，其仿真結(jié)果接近于實(shí)際情況。

CST軟件具有豐富的仿真結(jié)果顯示功能，能動(dòng)態(tài)顯示場(chǎng)量，后處理功能強(qiáng)大，能夠?qū)?D和3D場(chǎng)量等進(jìn)行靈活的處理。CST軟件提供開(kāi)放的接口，允許一些通用軟件相互調(diào)用，以CST軟件為基礎(chǔ)可以進(jìn)行各種專用仿真模塊和仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)［10－12］。因此，CST軟件是一種十分適合于工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全波電磁仿真軟件。

2 超寬帶縫隙等角螺旋天線的仿真實(shí)驗(yàn)

平面等角螺旋天線［13－14］是20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)的一類頻率無(wú)關(guān)天線。等角螺旋天線的曲線形狀由以下極坐標(biāo)系方程描述

式中，φ0為螺旋的初始角，r0是曲線上點(diǎn)在φ＝φ0處到原點(diǎn)的距離，a是一個(gè)與φ無(wú)關(guān)的常數(shù)，決定了螺旋的松緊的程度。

在等角螺旋天線中，2個(gè)臂的4條邊緣具有相同的a。若一個(gè)臂的一條邊緣線為r1＝r0eaφ，則只要將該邊緣旋轉(zhuǎn)δ角，就可得該臂的另一邊緣線r2＝r0ea（φ－δ）；另一個(gè)臂相當(dāng)于該臂旋轉(zhuǎn)180°而構(gòu)成，即r3＝r0ea（φ－π）和r4＝r0ea（φ－π－δ）。由于平面等角螺旋天線臂的邊緣僅由角度描述，因而滿足頻率無(wú)關(guān)天線對(duì)形狀的要求。

平面等角螺旋天線存在一個(gè)有限的工作區(qū)，天線輻射的強(qiáng)弱主要取決于工作區(qū)電流的大小，工作區(qū)的位置與工作的頻率有關(guān)。在工作區(qū)內(nèi)，電流沿著線圈很快地衰減，可以用有限尺寸的等角螺旋天線在相應(yīng)的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)近似的非頻變特性。本文設(shè)計(jì)的縫隙結(jié)構(gòu)等角螺旋天線，是在微帶電路板的金屬表面刻蝕等角螺旋形狀的縫隙構(gòu)成的。文中選擇的介質(zhì)板厚度為0.508mm，高頻饋電區(qū)的直徑為30mm，采用同軸電纜在中心區(qū)域?qū)p隙直接饋電，同軸線的特性阻抗設(shè)計(jì)為50Ω。該饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。在CST中建立的幾何模型如圖1所示，其中的白色部分為等角螺旋結(jié)構(gòu)的縫隙，灰色部分為金屬導(dǎo)體。圖中坐標(biāo)系的z軸方向?yàn)樘炀€口面的法線方向。

圖1 縫隙等角螺旋天線在CST中的幾何模型

對(duì)該天線幾何模型進(jìn)行參量化建模，基于時(shí)域求解器，采用參數(shù)掃描的方法，獲得了滿足要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。該天線的 VSWR（voltage standing wave ratio，電壓駐波比）仿真結(jié)果如圖2所示，在0.4～1GHz的范圍，VSWR小于2，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的阻抗帶寬。在1GHz頻點(diǎn)上，該天線的三維增益方向圖如圖3所示。為了更方便地說(shuō)明天線的波束性能，圖4給出了該天線在1GHz頻點(diǎn)上x(chóng)oz面和yoz面的增益方向圖和軸比方向圖?？梢钥闯觯谠擃l點(diǎn)上，所設(shè)計(jì)天線在E面和H 面的波束寬度分別約為89°和97.8°，具有較寬的波束覆蓋范圍，其軸比在軸向附近也較小。

圖2 縫隙等角螺旋天線VSWR仿真結(jié)果

圖3 縫隙等角螺旋天線三維方向圖仿真結(jié)果

圖4 縫隙等角螺旋天線二維方向圖仿真結(jié)果

選取3個(gè)頻點(diǎn)，進(jìn)行其輻射方向圖的仿真計(jì)算，可以獲得該天線的寬頻帶輻射性能（見(jiàn)表1）?？梢钥闯觯陬l率為1GHz和2GHz時(shí)的軸比較好，由于天線口面直徑的限制，在低頻段的軸比較大。

表1 縫隙等角螺旋天線輻射性能仿真計(jì)算結(jié)果

3 超寬帶縫隙阿基米德螺旋天線的仿真實(shí)驗(yàn)

阿基米德螺旋天線與其他螺旋天線一樣，很容易采用印刷電路技術(shù)制造。天線的兩個(gè)螺旋臂方程分別是：

式中，φ0為初始方位角，r0為螺旋初始徑向距離，a為決定螺距增長(zhǎng)快慢的常數(shù)。

與平面等角螺旋不同的是，阿基米德螺旋隨方位角按線性比例關(guān)系增加，而等角螺旋天線是指數(shù)關(guān)系，因此阿基米德螺旋的螺距增長(zhǎng)比等角螺旋慢。阿基米德螺旋天線主要輻射是集中在周長(zhǎng)約等于λ的螺旋環(huán)帶上，稱之為有效輻射帶。隨著頻率的變化，有效輻射帶也隨之變化，故阿基米德螺旋天線具有寬頻帶特性。如果常數(shù)a選取得小，則螺旋曲率小，在天線外半徑相同條件下，所對(duì)應(yīng)的螺旋臂的電長(zhǎng)度增加，其優(yōu)點(diǎn)在于天線的終端效應(yīng)得到更好的抑制；但是如果a選取得過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致螺旋臂的圈數(shù)增加，從而損耗也相應(yīng)增大。

阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝等優(yōu)點(diǎn)，故目前其應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。本文同樣設(shè)計(jì)一種縫隙結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋天線，采用同軸線在中心區(qū)域直接饋電，避免傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線復(fù)雜的巴倫饋電結(jié)構(gòu)。饋電區(qū)域的直徑也選擇30mm，縫隙的寬度選擇1mm，介質(zhì)基板的厚度也是0.508mm?？p隙結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋天線在CST軟件中的幾何結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

經(jīng)過(guò)和縫隙等角螺旋天線類似的仿真設(shè)計(jì)，最終確定了縫隙阿基米德螺旋天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，相應(yīng)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，該天線在0.4～2GHz頻率范圍內(nèi)的平均電壓駐波比為1.5，優(yōu)于縫隙等角螺旋天線，實(shí)現(xiàn)了更好的寬帶阻抗匹配性能。

針對(duì)1GHz頻點(diǎn)，該天線的三維增益方向圖如圖7所示，在xoz面和yoz面的增益和軸比方向圖如圖8所示。可以看出，該天線在2個(gè)面的波束寬度分別為76.5°和58.8°，比縫隙等角螺旋天線略窄。

圖5 縫隙阿基米德螺旋天線在CST中的幾何模型

圖6 隙縫阿基米德螺旋天線VSWR仿真結(jié)果

圖7 縫隙阿基米德螺旋天線三維方向圖仿真結(jié)果

類似縫隙等角螺旋天線，選取同樣的個(gè)頻點(diǎn)，進(jìn)行其輻射方向圖的仿真計(jì)算，獲得該天線的寬頻帶輻射性能（見(jiàn)表2）?？梢钥闯?，該天線在頻率為0.4GHz的軸比為2.05，優(yōu)于縫隙等角螺旋天線。從輻射方向圖和極化特性來(lái)看，該天線比縫隙結(jié)構(gòu)的等角螺旋天線具有更寬的頻帶。

圖8 縫隙阿基米德螺旋天線二維方向圖仿真結(jié)果

表2 縫隙阿基米德螺旋天線輻射性能仿真計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

微波技術(shù)與天線課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在微波技術(shù)與天線課程的教學(xué)中占有重要地位。在微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入全波電磁仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以展示采用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)天線的過(guò)程，豐富教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)到現(xiàn)代流行的微波設(shè)計(jì)技術(shù)，有利于學(xué)生加強(qiáng)對(duì)基本概念的理解，提高學(xué)習(xí)興趣，顯著提高教學(xué)效果，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)的縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶螺旋天線饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也適合于實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

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［1］付云起，朱建清.對(duì)學(xué)歷合訓(xùn)《電磁波與天線》課程教學(xué)的思考［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2008，31（4）：72－74.

［2］李素萍，吳偉.“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)改革探討［J］.中國(guó)電力教育，2011（8）：108－109.

［3］陳波，王志敏，楊峰.電磁場(chǎng)與波課程中天線教學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（2）：19－21，90.

［4］汪濤，毛劍波，劉士興，等.天線仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（12）：89－93.

［5］周雪芳，錢勝.仿真軟件在《微波技術(shù)與天線》實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11（3）：37－38，118.

［6］房少軍，李洪彬，段曉燕，等.天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)的研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（1）：50－52，58.

［7］朱玉曉，鐘順時(shí)，許賽卿，等.小型化超寬帶槽螺旋天線的設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25（1）：39－41.

［8］梁建剛，王亞偉，楊自牧.室內(nèi)蜂窩用曲折臂阿基米德縫隙螺旋天線設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（11）：65－67，72.

［9］何志國(guó)，徐風(fēng)清，崔景波.一種星載平面螺旋天線的小型化設(shè)計(jì)方法［J］.航天器工程，2012，21（1）：68－71.

［10］傅佳輝，吳群.微波EDA電磁場(chǎng)仿真軟件評(píng)述［J］.微波學(xué)報(bào)，2004，20（2）：91－95.

［11］劉廣東，呂思潼，汪洪艷，等.基于CST的偶極子天線虛擬實(shí)驗(yàn)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（4）：58－60.

［12］劉增平.CST軟件在計(jì)算雙層球粒子散射場(chǎng)中的應(yīng)用［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（1）：63－65.

［13］阮成禮.超寬帶天線理論與技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006：375－390.

［14］Cencich T ，Huffman J A.The Analysis of Wideband Spiral Antennas Using Modal Decomposition［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2004，46（4）：20－26.