1 引言

在上個(gè)世紀(jì)五十年代，有學(xué)者提出了阿基米德螺旋天線這一超寬帶天線形式，但是該天線在當(dāng)時(shí)并沒有被人們所關(guān)注，這是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的大環(huán)境下，原本已有的天線雖然工作頻率低、工作帶寬窄，但完全能夠滿足實(shí)際需求。到了七十年代，隨著通訊行業(yè)的蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日益革新，要求信號(hào)傳輸?shù)念l率不斷變高，頻帶需求也不斷變寬，以前成熟的天線都已無法達(dá)到技術(shù)需求，這個(gè)時(shí)候，阿基米德螺旋天線重新回到了天線工作者們的視野中并且在之后的幾十年里得到了快速的發(fā)展。

 

上世紀(jì)八九十年代，日本學(xué)者 H.Nakano 深入研究了螺旋天線，對(duì)其寬帶化、小型化提出改進(jìn)措施，并且首先提出了利用金屬板實(shí)現(xiàn)單向輻射，此時(shí)極化特性可以得到很大改善。但是螺旋天線與金屬反射板之間的間距不能小于 1/4 波長(zhǎng)，否則軸比會(huì)惡化。之后 Jodie M. Bell 等人[1]提出了一種帶有電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋天線。此后人們不斷發(fā)展和完善使得平面螺旋天線在圓極化方面具有很好的性能，并且可以在多倍頻程中保持一致的增益和輸入阻抗特性，由于這些吸引人的特性，其已經(jīng)成為超寬帶圓極化天線的常用選擇，而且在工業(yè)和軍事領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星通信和電磁對(duì)抗等領(lǐng)域。此外，平面螺旋天線低成本、低剖面的特性也使得它在傳感器和移動(dòng)通信方面得到頗多關(guān)注 [2] [3]。

 

本次設(shè)計(jì)的天線就是使用正弦曲線加載在阿基米德螺旋天線上，對(duì)超寬帶天線的小型化提出了一種解決方法。設(shè)計(jì)的天線工作于 2 GHz ~18GHz 之間，采用了兩段不同幅值的正弦曲線加載，螺旋末端為了消除截止效應(yīng)，加載尖端螺旋線。天線匹配在 100 歐姆并通過一段 100 歐姆到 50 歐姆阻抗變換的巴倫結(jié)構(gòu)連接。通過達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST 根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)所設(shè)計(jì)的 2GHz~18GHz 天線進(jìn)行仿真并改進(jìn)。

 

2 平面螺旋天線設(shè)計(jì)概述

2.1 天線結(jié)構(gòu)概述

阿基米德螺旋天線的方程可以表示為：

 

 

 

式中，r 為螺旋線上任意點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，r0 為原點(diǎn)與螺旋線起點(diǎn)之間的距離，a 為螺旋率，一般為常數(shù)，??為方位角，令??0=0，就可得到一條起始點(diǎn)為 A，初始半徑為 r0 的螺旋線，再令??0=π，就可得到另外一條起始點(diǎn)為 B，初始半徑相同的螺旋線，這兩條線對(duì)稱，如圖 1 所示。以這兩條螺旋線為兩臂，對(duì)稱的在 A、B 兩點(diǎn)饋電，就構(gòu)成了平面阿基米德螺旋天線。為了使天線形成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)以在寬頻帶內(nèi)有良好的阻抗特性，通常讓其臂與間隙的寬度一致。

 

 

圖 1 阿基米德螺旋天線

 

通過將自變量換成正弦函數(shù)，即可得到加載正弦曲線的阿基米德螺旋天線。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的中心頻率f=10GHz 設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

 

3 天線具體建模和參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計(jì)的平面螺旋天線為阿基米德螺旋天線加載正弦曲線的形式，使用達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具CST 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，天線的總尺寸為 60mm*60mm*40mm，工作頻率范圍為 2GHz~18GHz。

 

3.1 天線具體建模操作

本次建模采用的是達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST，版本為 2016 版，且本次建模為阿基米德螺旋天。因此，選擇 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 進(jìn)行建模。本次所設(shè)計(jì)的天線帶寬是2GHz~18GHz 頻段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇時(shí)域求解器作為求解器。在設(shè)置各項(xiàng)單位時(shí)，長(zhǎng)度單位一般設(shè)置為 mm，頻率設(shè)置為 GHz，時(shí)間設(shè)置為 ns。選擇 T+GPU 是仿真阿基米德螺旋天線的最佳方案，本次設(shè)計(jì)的天線介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)為 3.48 的 RO4350B，厚度為 1mm。天線模型如圖 2 所示。巴倫結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

 

 

圖 2 加載正弦曲線的平面螺旋天線示意圖

 

 

圖 3 巴倫結(jié)構(gòu)示意圖

 

3.2 激勵(lì)源設(shè)置

在建模完畢的情況下，將需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)置激勵(lì)源，使用 Waveguide port 進(jìn)行激勵(lì)源設(shè)置，波端口的寬度一般設(shè)置為 5 倍線寬 ，高度一般設(shè)置為 3-4 倍板厚。

 

3.3 天線其他條件設(shè)置

本文設(shè)計(jì)天線工作頻率范圍為 2GHz~18GHz 之間，所以設(shè)置頻率范圍為 2GHz~18GHz，background 設(shè)置為 Normal，邊界條件設(shè)置為 open(add space)，求解器的網(wǎng)格設(shè)置為Hexahedral，準(zhǔn)確值設(shè)定為-40dB。

 

4 仿真結(jié)果導(dǎo)出與分析

首先是 S 參數(shù)分析，如圖 4 所示。圖中的 S 參數(shù)從大約 2GHz 到 18GHz 的曲線均處于-10dB 以下，同時(shí)低頻 2GHz 附近的匹配符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)以供 origin、matlab等畫圖軟件繪制曲線。

 

 

圖 4 天線回波損耗圖

 

然后是對(duì)于 VSWR（電壓駐波比）的數(shù)據(jù)處理，如圖 5 所示。在圖中可以看出在 2GHz 到 18GHz 的頻率范圍內(nèi)，該天線電壓駐波比低于 2.0，符合設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 5 天線電壓駐波比圖

 

其次是天線的效率和增益，如圖 6 和圖 7 所示，可以看出在整個(gè)頻帶內(nèi)天線的整體增益大于 3.5dB，符合設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 6 平面螺旋天線的效率和增益

 

 

圖 7 平面螺旋天線的最大增益曲線

 

最后是天線的方向圖，如圖 8 所示，觀察天線的波束寬度和前后比均符合設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 8 平面螺旋天線的方向圖

 

結(jié)論

本文以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對(duì)實(shí)現(xiàn)覆蓋 2GHz~18GHz 的平面阿基米德螺旋天線這一問題，在電磁 MWs 工作室中，建立了加載正弦曲線的平面螺旋天線仿真模型。通過設(shè)置對(duì)應(yīng)激勵(lì)源和求解器，仿真出天線的回波損耗和電壓駐波比以及特定頻率的電磁場(chǎng)方向圖。

 

通過仿真我們可以看出通過對(duì)平面阿基米德螺旋天線加載正弦曲線并連接 50Ω到 100Ω的阻抗變換器后，天線在整個(gè)頻段有著良好的電性能，基本解決了天線的小型化問題，且正弦加載的幅度越大，天線的小型化作用越好。

 

然而，值得注意的是，雖然仿真結(jié)果在理論上是理想化的，但與實(shí)際測(cè)試存在一定的差異。我們需要采用控制變量法對(duì)比更多的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來驗(yàn)證這一技術(shù)，同時(shí)此類高頻復(fù)雜天線對(duì)于天線加工的工藝以及測(cè)試誤差都有著很大的考驗(yàn)，后續(xù)的工作需要注意并努力減小這些誤差。

 

資料來源：達(dá)索官方