基于GEMS对Ku波段螺旋阵列天线的设计优化

彭 桦，吴玉成，于 玺，杨建航

(1.重庆大学通信工程学院，重庆 400044;2.中海油信息科技有限公司，广东深圳 518067;3.中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

0 引言

Ku波段(12 GHz)卫星电视广播是1977年世界无线电行政会议(WARC)推荐优先使用的波段，由于Ku波段的工作频率比C波段要高3倍，全向等效辐射功率(EIRF)比C波段要大20 dB左右，因而使得Ku波段卫星电视广播的优越性更加突出，特别是近年来我国直播卫星的快速发展，对于Ku波段卫星接收天线技术指标提出了一些新的要求。

用于衡量卫星电视直播接收的天线的性能指标主要是定向性、高效率及抗雨衰。该文利用平面结构天线的优点改善其整体性能。通过在基于FDTD算法的电磁仿真软件GEMS环境下的测试仿真，借助仿真确定天线阵列的几何参数，并根据仿真结果与实测结果进行分析加工和重设计，优化天线阵的设计以组成更大的天线阵列。

1 天线的设计仿真及优化

在信息传播应用技术高速发展的今天，使用传统的实物制作测试再校正的方式已渐渐无法适应现代天线工程设计的需求。借助计算机辅助设计软件，利用数值计算分析方法进行天线的模拟仿真验证，正逐步成为目前天线工程领域所广泛采用的方式，极大地缩减了从设计到实现所需的时间和成本［1］。当前电磁学领域使用较多的方法主要有基于频域的计算方法和基于时域的计算方法，当前，发展最快、关注最多的当数时域有限差分方法(FDTD)，FDTD算法及其主要公式见参考文献［2］。

1.1 天线结构设计

通常，Ku波段螺旋阵列天线的设计的总目标是在指定的工作频率上得到特定的工作特性。为使Ku波段螺旋阵列天线达到这个总目标，首先是选择合适贴片的几何形状。在没有特殊要求的情况下，首选矩形贴片，这是因为Ku波段螺旋阵列天线的设计不仅设计简单，制造工艺也不复杂，并且还有一系列比较成熟的理论作为研究依据［3］。采用的天线结构圈数 N=2 ，螺距角为 40［4，5］。螺旋为右旋螺旋，螺旋线周长C=25 mm=1 λ;螺旋线轴距S=1.75 mm;螺旋线导线的直径为d=1 mm。螺旋开始处距离金属的距离为h，通过调节h，可以优化螺旋阵元的圆极化。在确定天线单元形状及尺寸以后，主要的任务就是将天线组成相应的阵列。

在该设计中将逐渐增大天线阵的阵元数目，通过阵元数目的增加来提高天线的增益特性［3］。设计2圈螺旋天线阵的示意图如图1和图2所示。

图1 2圈螺旋天线阵结构图(侧视)

图2 2圈螺旋天线阵结构图(俯视)

1.2 天线单元的仿真

在实际仿真开始之前，需为天线模型新建一个求解设置项目，用于设定模型的仿真求解参数。由于HFSS软件采用自适应迭代算法，因此有限元求解的精度与计算时间成反比。而所需的计算时间也与运行软件的计算机的计算能力有很大关系。常规的Ku波段直播卫星(DBS)接收天线的频带为11.7～12.2 GHz，所以，其中心频率为 11.95 GHz，螺旋工作接近12 GHz，可以设λ≈25 mm，螺旋直径D=4 mm，h=1 mm进行仿真。直径D和参数h的最终数值，是通过参考大量仿真得出的［6］，下面给出几组典型的仿真曲线。

图3显示随着螺旋直径的减小，螺旋轴比曲线最低点向高频率移动，最小值基本保持不变，在1dB以下，证明了螺旋天线能够辐射较好的圆极化波;D=7.6 mm时，轴比在12 GHz附近取得最小值，且在11.7～12.2 GHz频段内有获得较好的轴比。图4显示h＞0.8 mm，随着h的变大，轴比最小值向低频移动，低于12.7 GHz，且最小值在不断变大，即螺旋天线辐射电磁波的圆极化纯度在恶化。

图3 螺旋直径D改变对螺旋阵元轴比(AR)的影响

图4 参数h对螺旋阵元轴比(AR)的影响

结合以上结果，设定螺旋直径D=7.6 mm，h=0.8 mm，对螺旋单元进行仿真。图5进一步证明了螺旋直径D=7.6 mm，h=0.8 mm时，螺旋单元在最大辐射方向获得良好的圆极化。

图5 螺旋单元在12 GHz时仿真辐射方向图

图6的仿真结果可得到，D=7.6 mm，h=0.8 mm时，轴比带宽(AR小于3 dB)为11.5 ～13 GHz。天线单元增益大概在10 dB左右，满足设计的要求。

图6 螺旋阵元轴比(AR)频响曲线和增益频响曲线

2 基于仿真的性能测试及结果

2.1 性能测试过程

基于螺旋单元尺寸D=7.6 mm，h=0.8 mm，按照仿真尺寸加工了7圈天线阵列，利用安捷伦E5071C网络分析仪，对实物进行测量。7圈螺旋阵列天线(168个阵元)的测试结果如图7、图8、图9和图10所示。

图7 天线阵在12 GHz时XOZ平面方向图

图8 天线阵在12 GHz时YOZ平面方向图

图9 天线阵的轴比测量

图10 螺旋阵列回波损耗实测结果

2.2 实验结果分析

因Ku波段频率较高，这个频段天线尺寸较小，对加工精度要求较高。天线阵元的测量结果抖动较大，由天线单元的仿真可知，0.1 mm的差距也会使天线的谐振频率造成一定偏移。因此天线工作频带的偏移一方面原因来自于加工精度，多加注意。

3 结束语

使用GEMS对选用的天线单元进行设计、仿真和分析，通过调试得到了优化的结果。最后由168个阵元组成7圈螺旋阵列天线，经过测量后，发现仿真结果与实测结果有偏差，并对其做了误差分析，以分析结果为基础重新设计了天线阵，经过加工并测试，结果基本符合设计要求。

［1］王洪.电磁仿真软件HFSS在天线设计中的应用［J］.福建电脑，2010(9):20-21.

［2］葛德彪，闫玉波.电磁波时域有限差分方法［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.

［3］赵军仓.C波段微带阵列天线的设计分析［J］.计算机测量与控制，2007，15(6):780-785.

［4］LI Zeng-rui，YANG Jian-hang，GUO Qin-xin，et al.A Low-Profile Helix Array Antenna for DBS［C］∥2011 International Conference on Microwave Technology and Computational Electromagnetics，2011:25-28.

［5］HONMA T.Extremely Low-Profile Helix Radiating a Circularly Polarized Wave［J］.IEEE Trans.Antenna Propagat.，1991，39:754-757.

［6］NAKANO H，TAKEDA H，KITAMURA Y，et al.Low-profile Helical Array Antenna Fed from a Radial Waveguide［J］.IEEE Trans.Antenna Propagat.，1992，40:279-284.