CST技术案例：加载正弦曲线的平面螺旋天线仿真研究

1 引言在上个世纪五十年代有学者提出了阿基米德螺旋天线这一超宽带天线形式但是该天线在当时并没有被人们所关注这是因为在当时科学技术的大环境下原本已有的天线虽然工作频率低、工作带宽窄但完全能够满足实际需求。到了七十年代随着通讯行业的蓬勃发展和科学技术的日益革新要求信号传输的频率不断变高频带需求也不断变宽以前成熟的天线都已无法达到技术需求这个时候阿基米德螺旋天线重新回到了天线工作者们的视野中并且在之后的几十年里得到了快速的发展。上世纪八九十年代日本学者 H.Nakano 深入研究了螺旋天线对其宽带化、小型化提出改进措施并且首先提出了利用金属板实现单向辐射此时极化特性可以得到很大改善。但是螺旋天线与金属反射板之间的间距不能小于 1/4 波长否则轴比会恶化。之后 Jodie M. Bell 等人[1]提出了一种带有电磁带隙EBG结构的阿基米德螺旋天线。此后人们不断发展和完善使得平面螺旋天线在圆极化方面具有很好的性能并且可以在多倍频程中保持一致的增益和输入阻抗特性由于这些吸引人的特性其已经成为超宽带圆极化天线的常用选择而且在工业和军事领域已得到广泛应用如全球导航卫星系统卫星通信和电磁对抗等领域。此外平面螺旋天线低成本、低剖面的特性也使得它在传感器和移动通信方面得到颇多关注 [2] [3]。本次设计的天线就是使用正弦曲线加载在阿基米德螺旋天线上对超宽带天线的小型化提出了一种解决方法。设计的天线工作于 2 GHz ~18GHz 之间采用了两段不同幅值的正弦曲线加载螺旋末端为了消除截止效应加载尖端螺旋线。天线匹配在 100 欧姆并通过一段 100 欧姆到 50 欧姆阻抗变换的巴伦结构连接。通过达索三维全波电磁场仿真工具 CST 根据具体设计指标所设计的 2GHz~18GHz 天线进行仿真并改进。2 平面螺旋天线设计概述2.1 天线结构概述阿基米德螺旋天线的方程可以表示为式中r 为螺旋线上任意点到原点的距离r0 为原点与螺旋线起点之间的距离a 为螺旋率一般为常数为方位角令00就可得到一条起始点为 A初始半径为 r0 的螺旋线再令0π就可得到另外一条起始点为 B初始半径相同的螺旋线这两条线对称如图 1 所示。以这两条螺旋线为两臂对称的在 A、B 两点馈电就构成了平面阿基米德螺旋天线。为了使天线形成自补结构以在宽频带内有良好的阻抗特性通常让其臂与间隙的宽度一致。图 1 阿基米德螺旋天线通过将自变量换成正弦函数即可得到加载正弦曲线的阿基米德螺旋天线。根据本次设计的中心频率f10GHz 设计相关参数。3 天线具体建模和参数设置本次设计的平面螺旋天线为阿基米德螺旋天线加载正弦曲线的形式使用达索三维全波电磁场仿真工具CST 进行仿真设计天线的总尺寸为 60mm*60mm*40mm工作频率范围为 2GHz~18GHz。3.1 天线具体建模操作本次建模采用的是达索三维全波电磁场仿真工具 CST版本为 2016 版且本次建模为阿基米德螺旋天。因此选择 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 进行建模。本次所设计的天线带宽是2GHz~18GHz 频段根据经验选择时域求解器作为求解器。在设置各项单位时长度单位一般设置为 mm频率设置为 GHz时间设置为 ns。选择 TGPU 是仿真阿基米德螺旋天线的最佳方案本次设计的天线介质基板采用相对介电常数为 3.48 的 RO4350B厚度为 1mm。天线模型如图 2 所示。巴伦结构如图 3 所示。图 2 加载正弦曲线的平面螺旋天线示意图图 3 巴伦结构示意图3.2 激励源设置在建模完毕的情况下将需要根据经验来设置激励源使用 Waveguide port 进行激励源设置波端口的宽度一般设置为 5 倍线宽 高度一般设置为 3-4 倍板厚。3.3 天线其他条件设置本文设计天线工作频率范围为 2GHz~18GHz 之间所以设置频率范围为 2GHz~18GHzbackground 设置为 Normal边界条件设置为 open(add space)求解器的网格设置为Hexahedral准确值设定为-40dB。4 仿真结果导出与分析首先是 S 参数分析如图 4 所示。图中的 S 参数从大约 2GHz 到 18GHz 的曲线均处于-10dB 以下同时低频 2GHz 附近的匹配符合设计要求。当然达索三维全波电磁仿真工具 CST 支持导出数据以供 origin、matlab等画图软件绘制曲线。图 4 天线回波损耗图然后是对于 VSWR电压驻波比的数据处理如图 5 所示。在图中可以看出在 2GHz 到 18GHz 的频率范围内该天线电压驻波比低于 2.0符合设计要求。图 5 天线电压驻波比图其次是天线的效率和增益如图 6 和图 7 所示可以看出在整个频带内天线的整体增益大于 3.5dB符合设计要求。图 6 平面螺旋天线的效率和增益图 7 平面螺旋天线的最大增益曲线最后是天线的方向图如图 8 所示观察天线的波束宽度和前后比均符合设计要求。图 8 平面螺旋天线的方向图结论本文以达索三维全波电磁仿真工具 CST 为载体针对实现覆盖 2GHz~18GHz 的平面阿基米德螺旋天线这一问题在电磁 MWs 工作室中建立了加载正弦曲线的平面螺旋天线仿真模型。通过设置对应激励源和求解器仿真出天线的回波损耗和电压驻波比以及特定频率的电磁场方向图。通过仿真我们可以看出通过对平面阿基米德螺旋天线加载正弦曲线并连接 50Ω到 100Ω的阻抗变换器后天线在整个频段有着良好的电性能基本解决了天线的小型化问题且正弦加载的幅度越大天线的小型化作用越好。然而值得注意的是虽然仿真结果在理论上是理想化的但与实际测试存在一定的差异。我们需要采用控制变量法对比更多的实验参数来验证这一技术同时此类高频复杂天线对于天线加工的工艺以及测试误差都有着很大的考验后续的工作需要注意并努力减小这些误差。