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寬頻帶圓錐對數螺旋天線仿真計算與性能分析

2008-09-11
作者:刁冠勛,田冀煥,袁建生

  摘 要: 介紹了一種用于寬脈沖電磁輻射的寬頻帶天線——圓錐對數螺旋天線" title="圓錐對數螺旋天線">圓錐對數螺旋天線。在通過近似解析計算進行天線結構粗略設計的基礎上,利用仿真軟件對其進行了較準確和全面的仿真計算,得到了天線的方向圖" title="方向圖">方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比和天線上的電流分布等各項參數,從而論證了原解析的誤差范圍和適用范圍。
  關鍵詞: 寬脈沖電磁輻射 圓錐對數螺旋天線 數值仿真


  寬脈沖大功率電磁輻射技術日趨成熟,該技術可廣泛應用于民用、軍事、天文等社會生活各個方面。此類電磁脈沖所包含的頻譜很寬,對電子系統的干擾和威脅較大。在寬脈沖電磁輻射研究中,發射天線設計是關鍵所在。天線將脈沖電流轉化為空間電磁波,決定電磁波的發射方向、覆蓋面積等,并且影響到調制電路" title="調制電路">調制電路中脈沖激勵的波形,在電磁輻射系統中起著非常重要的作用。圓錐對數螺旋天線是一類較理想的寬頻帶天線,適合寬脈沖電磁輻射系統對天線的要求。本文對圓錐對數螺旋天線的性能進行了仿真與分析。


  圓錐對數螺旋天線的基本結構如圖1所示[1],其基本參數為:圓錐半張角θ0、螺旋線包角α、天線臂角寬度δ。在球坐標系下,圓錐對數螺旋天線螺旋臂的兩條邊線ρ1、ρ2的曲線方程為:
  
  可以看出,ρ1和ρ2為螺旋臂上一點與原點(錐頂)的距離, ρ0為螺旋臂頂端端點與原點的距離。
  實際應用中,圓錐對數螺旋天線是兩個天線臂對繞形成的,其中一個天線臂由另一臂繞圓錐軸線旋轉180°而產生(如圖2所示)。該天線沿錐尖方向有最強的輻射,而其反方向輻射則相對微弱。當天線臂角寬度δ=90°時稱為自補結構,能產生最好的方向圖。由于結構是螺旋對稱的,故方向圖接近旋轉對稱,輻射場的極化幾乎在所有方向都非常接近圓極化,但隨著離開軸線角度的增加,橢圓率會增加,橢圓極化旋轉方向取決于天線螺旋的方向[2]。


1 圓錐對數螺旋天線性能參數解析算法與設計
  圓錐對數螺旋天線(簡稱CLS天線)結構較復雜,利用解析分析只能粗略地計算其性能參數,要想得到較準確的參數及方向圖必須利用數值計算方法進行仿真。
  CLS天線有五個結構參數:頂端半徑r、底端半徑R、錐角θ、螺旋線包角α、天線臂角寬度δ。其中,天線方向性主要由錐角θ以及螺旋線包角α決定,而天線頻帶寬度主要由天線上下半徑r和R決定。這是因為對于頻帶內的各個頻率,圓錐對數螺旋天線上可以找到與該頻率對應波長相似的圓環,稱為該頻率下天線的工作區。所以上下底面半徑決定了上下截止頻率" title="截止頻率">截止頻率對應的波長,從而確定了頻帶寬度。文獻[1][2]給出了CLS天線性能參數的經驗計算公式,可用其粗略設計天線的結構尺寸。
  筆者的研究工作要求天線的工作頻率為60MHz~100MHz。由于對頻帶特性要求較高,首先要考慮其輻射方向圖具有非頻變性,即不隨頻率有明顯改變;其次是輸入阻抗變化范圍要小,以利于調制電路與天線的匹配。為此,先取天線足夠長,以確保天線的寬帶特性;然后通過改變圓錐角和螺旋包角控制輻射場的波瓣寬度,使其滿足要求。一般情況下,增加包角(天線纏繞更緊湊)或減小錐角,天線的方向性會增加,同時后瓣會減??;反之,方向性減弱,后瓣會增大。設計時可根據波瓣寬度等要求先確定包角α和錐角θ,然后嘗試縮短天線臂,并考查此時的輻射特性,最后使天線臂長在滿足要求的前提下最短,從而實現尺寸大小的優化。根據文獻[2]給出的經驗公式及已有的試驗數據可以設計得:
  (a)由查表" title="查表">查表可以確定三個角度:θ0=10°,α=71.6°,δ=90°;
  (b)根據上下截止頻率,可確定圓錐上下底面半徑r和R。根據工作頻帶下截止頻率及波長f1=60MHz、λ1=5m,上截止頻率及波長f2=100MHz、λ2=3m。查表可得[2]
  
  即:R=0.15804×5m=0.79m
  r=0.06288×3m=0.19m
  (c)由查表可得方向性系數為6.5dB[1]。
2 圓錐對數螺旋天線的仿真
  在上面粗略設計的基礎上,要想得到較精確的性能參數,有必要利用現代數值計算技術和軟件對天線進行仿真。筆者使用了Ansoft公司的HFSS軟件進行仿真計算。該軟件是一種基于有限元法的高頻電磁場仿真程序,它采用切向矢量有限元法求解三維結構的電磁場[3],可以計算出天線的輸入阻抗、增益、方向圖、效率以及電流分布等特性。HFSS軟件求解天線問題分為建模、施加邊界條件、施加激勵、設置頻率范圍、求解、后處理五個步驟。
  HFSS自帶的三維建模功能比較簡單,建立復雜模型比較困難,但它提供了與AUTOCAD、Pro-E等專業三維建模軟件的接口。先在Pro-E中建立圓錐對數螺旋天線模型,再導入AutoCAD,然后導入HFSS中,最后得到的模型與計算場域如圖2所示。在場域最外圍加輻射邊界條件,天線臂設為銅材料。在天線雙臂的頂端(即半徑小的一端),加電壓激勵,然后開始仿真運算。在P4/2.8GHz計算機上,整個仿真計算過程約需6小時。
2.1 天線方向圖
  圖3為f=70MHz時天線的二維方向圖,從中可以看出,天線方向性系數達到7dB左右,而利用文獻[1]中的圖表所查到方向性系數為6.5dB。圖4給出了幾個頻率下天線的二維方向圖,可以看出,各個頻率下方向圖形狀大致相同,但隨著頻率越靠近頻率范圍的上下限、方向圖背瓣越大。


  為了更形象地描述天線的方向性,軟件可以給出三維方向圖。頻率為60MHz和90MHz時天線的三維方向圖如圖5所示。表1給出天線的方向性系數 。


  從以上結果可以看出,圓錐對數螺旋天線是一類方向性較強的天線,其主瓣的半功率波束寬度約為90°。在60MHz~100MHz頻帶內方向性系數變化不大,且與利用文獻[1]估算值6.5相差不大,從而證明了此類天線的非頻變特性,這是仿真計算工作的價值之一。
2.2 電壓駐波比和輸入阻抗
  從文獻[1]中可以查到本文所仿真的天線輸入電阻值約為150Ω,從文獻[4]可以查到輸入電抗約為20Ω左右。實際上,不僅天線的輸入電抗與頻率有關,而且不同頻率下輸入電阻也不同,利用仿真軟件可以比較準確地得到這些參數。表2給出了幾種頻率下天線的輸入電阻與電抗值。從表2可以看出,仿真結果的輸入阻抗在工作頻帶內與理論值有一定差別,隨著頻率接近天線頻率范圍的上下限,仿真結果與理論值相差越大。通過仿真計算所得到比較準確的天線輸入阻抗,對于研究調制電路與天線的匹配問題有著非常重要的作用。


2.3 天線上傳導電流分布
  圖6表示頻率f=80MHz時電流在天線臂上的分布,可以看出傳導電流從天線饋電點(即圓錐頂部一端)流入,先經過傳輸區(約下面的2圈),再向上是輻射區(約第3圈),最后為衰減區(后面幾圈)。在傳輸區內,電流大小變化不明顯,到達輻射區后,隨著大量能量以電磁波的形式傳播,電流迅速減小,最后經過衰減區,電流逐漸減小至零,這符合天線一般規律[5]。其中,輻射區的位置與頻率有關,即位于波長近似于圓錐截面周長的地方??梢韵胂?,不同頻率會對應不同的輻射區位置,這是CLS天線的工作特性,也是CLS天線具有寬帶特性的原因。


  利用仿真計算可以較準確、較全面地得到天線的各項參數。仿真結果表明,圓錐對數螺旋天線有著很好的方向性以及頻帶寬度,且結構簡單、緊湊,這非常適合于寬脈沖電磁輻射系統。其輸入阻抗隨頻率變化較小,有利于在調制電路中實現阻抗匹配。
參考文獻
1 Dyson J. The characteristics and design of the conical logspiral antenna[J] Antennas and Propagation. IEEE Transac-tions on [legacy, pre-1988], Volume: 13 Issue:4, Jul 1965:488~499
2 林昌祿,陳 海,吳為公. 近代天線設計[M]第1版.北京:人民郵電出版社, 1990
3 周偉華. 印制偶極子天線單元的仿真設計[J]. 現代電子,2000;(3)
4 Thorsten W. Hertel,Glenn S. Smith,Analysis and Design of Two-Arm Conical Spiral Antennas[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, FEBRUARY 2002;44(1)
5 張德偉. 2GHz~25GHz圓錐對數螺旋天線的設計與性能仿真[J].信息工程大學學報,2002;3(2)

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