基于FEKO的双极化振子天线设计与仿真研究

宋立众，房 亮，聂玉明，张 敏

(1.哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院，山东 威海 264209；2.毫米波国家重点实验室，江苏 南京 210096)

微波技术与天线课程是高等学校电子信息类专业的重要课程，该课程的理论教学与实验教学具有较大的难度，学生的学习面临较大困难。另外，微波技术与天线的实验教学所需要的实验设备和元器件的价格也较昂贵。采用目前流行的全波电磁仿真软件进行数值模拟实验，将先进的微波电路和天线设计与仿真技术引入教学环节，不但使原有的实验项目得到补充，而且可以使学生了解和掌握目前主流的微波电路与天线的设计方法，促进教学效果的提升[1-2]。本文通过对一个双极化振子天线的设计与仿真过程，说明电磁场全波仿真软件FEKO在实验教学中的应用[3-5]。

1 电磁仿真软件FEKO介绍

FEKO软件是用于天线设计和电磁仿真的专业电磁场分析软件，它基于矩量法，非常适合于天线设计中的各类电磁场分析问题。并且FEKO软件支持天线工程中的各种激励方式，如线端口馈电和波导端口馈电,通过矩量法积分表面电流，从而输出天线的各种电性能参数。在计算电磁学中，矩量法求解过程简单，求解步骤统一，可以达到所需要的精确度，但计算量很大。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中被广泛地应用，例如用于天线和天线阵的辐射计算。

FEKO软件提供了专用于大尺寸复杂结构问题的高频方法——物理光学方法(PO)和一致性几何绕射理论(UTD)。FEKO软件实现了MOM方法和PO/UTD的混合，可以根据用户的需要进行快速、精确的电磁计算。对于电大尺寸的计算问题，可考虑使用混合方法来进行数值模拟。对关键性的部位使用矩量法，对其他重要的区域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD。根据不同的电磁问题，对混合方法进行组合，可按用户需要得到满意的精度和速度。另外，对PO方法，FEKO使用了棱边修正项和模拟凸表面爬行波的福克电流。根据计算机硬件条件和待求解问题精度要求的不同，FEKO软件可以求解成百上千个波长的问题[6-10]。

本文利用FEKO软件，通过对天线单元网格化，再按照矩量法的思想，通过积分计算单元表面电流，再与格林函数相乘，得到天线辐射方向图。FEKO软件的仿真精度可以达到实际的精度要求，不过矩量法的计算量很大，对计算机要求很高，计算比较费时。

2 双极化振子天线设计

本文设计的蝶形天线是一种属于正交放置的双极化天线。因为2个天线单元在中心处互相交叉，导致振子之间的距离很大，阻抗匹配较为困难，所以在馈线处做了开槽处理，便于阻抗匹配。蝶形天线的辐射为全向辐射，故而在天线下方加入一块锥形地板，使其更接近于定向辐射。天线的主要尺寸由工作频率决定。设计时，先设计其中一个单极化的蝶形天线，通过简单参数调整得到另一个天线,再将这2个天线正交放置,即得到双极化的蝶形天线单元。

2.1 蝶形天线单元振子臂形式选择

蝶形天线的振子臂形式决定着蝶形天线表面电流的分布，故而它的形式较为重要。在天线振子臂结构的选择上，分别针对三角形、扇形、半球形3种振子臂形式进行了建模仿真，分别比较他们各自的输入阻抗特性。对于普通单极化蝶形天线，振子臂间的间距是越小越好的，但为了实现天线双极化，故而使振子臂间距很大，以保证两个单极化的天线可以在中心正交放置。为了便于比较3种振子臂的特性，其中令振子臂间距固定为1.2 mm，同样工作在工作频点f0，总长度保持8 mm，在FEKO软件中采用点到点离散端口馈电。分别计算其各自的端口阻抗Z(见表1)。

表1 三种振子臂端口阻抗

将各振子臂进行理想的阻抗匹配处理后，即在离散端口处将端口阻抗设为表1所示的振子臂端口阻抗。理论上，天线振子臂边缘经过圆滑后，可以减少振子臂的表面电流的反射，使半球形的振子臂表面更为平滑；可以消除表面电流的迅速突变点，进一步减少天线表面电流之间的相互反射，使其表面电流分布更为平滑，减少表面电流衰减。半球形的振子臂也是一种天线小型化技术的实现，在同样的尺寸下，其辐射表面积最大。

仿真结果表明，三角形振子臂的蝶形天线电压驻波比1.5以下的阻抗带宽约为1.18 GHz，在同样的长度下,扇形振子臂蝶形天线的阻抗带宽约为1.35 GHz，而半球形振子臂蝶形天线的阻抗带宽达到了2.1 GHz。半球形振子臂蝶形天线的电压驻波比仿真结果如图1所示。从表1可以看出，半球形振子臂蝶形天线的端口输入阻抗最小，虚部也小，天线阻抗也便于馈线进行阻抗变换时的连接。无论天线调配，还是天线的馈线连接，半球形振子臂都具有很大的优越性，并且易于实现双极化。故而，本文选择半球形振子臂作为蝶形天线单元设计中的辐射振子臂。

图1 半球形振子臂蝶形天线的电压驻波比仿真

2.2 蝶形天线基本结构

双极化蝶形振子天线由两个结构类似的单极化蝶形天线单元正交放置构成，每个单极化蝶形天线都采用了半球形振子臂，在蝶形天线的下方加置一块锥形金属地板，这两个单极化蝶形天线单元分别被称为天线1和天线2。图2给出了单极化蝶形天线的结构，其馈电方法是由同轴线直连微带线，再通过一个短路线巴伦对端口进行馈电。在图2中，R1、R2分别为天线1和天线2的振子的半径，L1、L2分别为天线1和天线2的振子间的距离，Dm1、Dm2分别为天线1和天线2空气微带线的空气间隙厚度，W1、W2分别为天线1和天线2的地板直径，h1、h2分别为天线1和天线2振子距地板高度。

图2 蝶形天线结构示意图

地板除了起反射板的作用外，它的尺寸还限制了整个天线的尺寸，即：

Max{(R1×2+L1+Dm),(R2×2+L2+Dm)}≤W

2.3 蝶形天线馈线设计

天线馈线的作用就是将50Ω同轴电缆与天线输入端口连接并实现阻抗匹配。为了实现阻抗匹配，设计了同轴线转微带线阻抗变换结构，并且为了实现平衡馈电，使用了一个λ/4的短路线巴伦(见图3)。仿真表明，该馈线具有较好的阻抗匹配功能。

图3 馈线模型

在实际设计中，就是将50Ω的同轴电缆线变换到微带线上，微带线的阻抗需要与同轴电缆一致，目的是减少电流反射。通过微带线的传输及电磁耦合效应，在理想条件下，可近似等效T型电路进行阻抗变换。

2.4 地板对天线的影响

蝶形天线是一种全向天线，为了将其改为定向天线，就需要在下方约λ/4处加一块反射板。在本天线的设计中，使用了一个λ/4巴伦的平衡器。该平衡器直接连接反射板，使反射板具有地板的功能。在设计宽带天线中，由于其波长变化较大，所以在下方约λ/4处的位置处采用锥形的地板，其高度hz为：

hz≈(λmin+λmax)/4-λo/4

式中，λmin、λmax与λo分别是工作带宽对应的最小波长、最大波长及中心频率对应的波长。考虑到精度问题，取λz=0.2mm；而由于天线单元的限制，所以地板直径W≈0.5λ，其余的各项参数皆由工作频率限制。在电磁仿真软件FEKO中建立其仿真的电磁模型，由图2正交放置而成，便构成了双极化蝶形天线(见图4)。该天线有2个馈电端口，下面的锥形板作为地板起到反射作用，相对于振子来讲，尺寸小，会导致天线后瓣较大。当天线单元组成阵列后，多个地板相连，扩大了地板面积，地板相对振子臂尺寸的面积会很大，于是后瓣问题在阵列中不会存在。

图4 双极化蝶形天线仿真模型

2.5 蝶形天线优化设计方法

对于蝶形天线，可以采用对天线振子臂加入LC结构的方法展宽其工作带宽。由于本文讨论的蝶形天线的带宽已经能够满足要求，因此没有对其进行LC加载，但该天线馈线相对地板较大，故而在馈线处作了开槽处理，如图5所示。开槽后辐射电流也会增强，开槽的大小也决定着天线的工作带宽，所以在设计馈线时，不仅要考虑微带线的宽度，还要考虑馈线对天线振子谐振点的影响。馈线在传输能量的过程中产生的能量损耗对天线的阻抗匹配程度有很大影响，在馈线处连续开槽，可能会起到更好的效果。

图5 馈线开槽示意图

3 双极化振子天线仿真分析

本文对设计的双极化蝶形天线进行了仿真。仿真结果表明，该蝶形天线单元的电压驻波比小于1.5，以其工作频点f0为中心频率的带宽为1.3GHz，电压驻波比指标达到了设计要求。图6和图7分别给出了在工作频点f0上的天线线单元1的辐射增益方向图和轴比方向图，图8和图9分别给出了在工作频点f0上的天线线单元2的辐射增益方向图和轴比方向图。从两个端口辐射方向图可以看出，天线的增益大致高于3dB，与理想的蝶形天线的增益相差不大，其半功率波束宽度为70°左右。天线后瓣电平较大，其前后比仅为2dB，这是由于在设计蝶形天线时将地板尺寸限制到半波长的原因。该蝶形天线的辐射方向图在两个边频频点与中心频点f0上的辐射方向图变化不大，故而其辐射方向图可在工作带宽内保持良好的特性。同时，该天线的两个极化端口的电压驻波比仿真结果曲线几乎一致，也可以看出该双极化蝶形天线中的两个天线单元比较对称，其特性也基本一致。在工作带宽内，主辐射方向上的两个极化端口的轴比都在30dB以上，说明这两个极化端口的辐射场的极化特性都较为理想。

图6 蝶形天线单元1端口辐射方向图

图7 蝶形天线单元1端口轴比方向图

图8 蝶形天线单元端口2的辐射方向图

图9 蝶形天线单元端口2的轴比方向图

4 结束语

本文提出了在微波技术与天线实验教学环节中引入电磁仿真技术的教学改革思想，以达到提高教学效果的目的。以全波电磁仿真软件FEKO为工具，设计和仿真了一种双极化蝶形振子天线，给出了具体的仿真和分析结果，设计的双极化蝶形振子天线达到了预期的技术指标。可以看出，在微波技术与天线实验教学中引入电磁仿真技术可以与工程实践接轨，有助于提高学生的学习兴趣，具体的教学环节安排是我们今后的教学任务之一。

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