用HFSS对宽波束圆极化天线的设计

- 122 - Ansoft2004年用户通讯

用HFSS 对宽波束圆极化天线的设计

房丽丽 应子罡 吕昕

（北京理工大学 信息科学技术学院100081）

摘要：本文用HFSS 设计了一种新型的螺旋天线结构，将角锥螺旋与四臂螺旋的结构巧妙的结合起来，并采用了自相移结构及渐进式的平衡馈电，经HFSS 对其辐射特性进行分析以及实测结果，都说明该种天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，且结构简单。

关键词：圆极化 HFSS 螺旋天线

一 引言

星上测量装置及其他空间通讯设备上，需要天线具有宽波束、圆极化的性能，圆锥螺旋天线、谐振式四臂螺旋天线和微带天线都可以形成半球形的圆极化方向图。但是考虑到天线装载在太空中，要受到高能粒子、宇宙射线的影响，以及大的温度交变，如果用微带天线的话介质层可能变脆剥落。另外，微带天线不容易实现高的增益。相比较下，螺旋天线不仅可以实现宽波束圆极化，还具有体积小、重量轻、结构稳定的优点，引起广泛的重视和应用。

我们这里提出了一种新型的螺旋结构，将圆锥螺旋天线与四臂螺旋天线结合起来，采用自相移实现90°相位差，采用渐变式的平衡馈电。经过HFSS 仿真分析和实际测试，都说明该天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，结构简单紧凑。

二 螺旋天线的结构

1. 辐射部分

角锥螺旋天线有单螺旋、双臂螺旋等形式，这里我们采用单臂螺旋角锥螺旋天线，可以表示为

ϕρρb +=0 （1）

其中，ρ为圆锥顶点到螺旋线任一点的距离，ρ0为圆锥顶点到螺旋线起点的距离，b 为常数，由圆锥的锥角和螺旋线的包角决定。

谐振式四臂螺旋部分由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂到馈电点的长度为M λ／4(M 为整数)．四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90º；非馈电端开路(M 为奇数时)或短路(M 为偶数时)。

我们将角锥螺旋与四臂螺旋的结构结合起来。其中，四臂螺旋的相位差通过同轴馈线末端开四个槽，分成四部分，每部分的末端与四臂螺旋的臂相连。通过调整四部分的长度，使四根螺旋臂两两相差90º，从而实现圆极化。

2. 馈电结构

为了使四臂螺旋四个螺旋臂激励呈现圆极化馈电，要求二正交臂输入导纳满足下式

2G B B G

G G Y X Y X −=== （2）

此时，两正交臂电导相等，说明馈入功率相等；说明一个臂应长于

λ／2为感性．另一臂应短于λ／2为容性，且导纳相位差为90º。

2G B B Y X −=同轴馈电电缆内导体同角锥螺旋的螺旋臂相连，在馈电端电缆外导体渐变为均

匀的四瓣，分别连接四臂螺旋的四个螺旋臂。调整这四瓣的长短和位置，就可以实

现四臂螺旋的圆极化。另外，通过调整四瓣与角锥螺旋线的耦合距离，可以实现较

宽频带内的匹配，在所需频带内驻波比<1.5。

这种平衡馈电结构，利用了同轴电缆的内导体外臂与外导体内臂均存在电流，

且电流大小相等，方向相反的特点。

最终设计得到的天线结构如右图 ：

图一.HFSS 对天线的结构建模图

三 天线的辐射特性

经HFSS仿真得到天线的辐射方向图如下：

图二.仿真得到的天线辐射特性图三.HFSS仿真得到的天线驻波特性

传统的馈电方式是将同轴电缆和螺旋线直接相连，但这是一种非平衡的馈电方式，不仅不能达到宽频带的效果，而且实现很困难。我们这里采用渐近线式的馈电，即同轴内导体渐变为圆锥的螺旋线，同轴线外导体渐变为四片，终端接四臂等距螺旋，既达到了平衡－不平衡的转换，又达到了阻抗变换的效果，在所需频带内驻波较小。仿真得到的驻波特性如图三：图中每一格为50MHz，可以看到，在所需频段内，驻波<1.6。

四 总场的试验测试数据及处理

经测试，天线在四个频点上的垂直极化和水平极化方向图如下：

（a）

（b）

图四.天线的实测方向图，其中（a）为垂直极化方向，（b）为水平极化方向其中，标准喇叭天线在所测中心频点上的垂直极化方向增益为－45.33db，水平极化方向增益为－48db。由天线在最大辐射方向上的水平极化分量与垂直极化分量的增益值与标准喇叭天线在相对

应的频率上的增益值相比较，得到螺旋天线的增益值。

从方向图中我们可以看出，当0º和±90º方向上增益相差不超过9db时，天

线的波束宽度基本达到180º。其中由于单螺旋本身的不对称，方向图有一定的

不对称性。

驻波特性如下：

图中，每一格代表50MHz。我们可以看到，在所需频段内，驻波比<1.5，

阻抗匹配良好。

五 结论

用HFSS设计的宽波束圆极化天线仿真结果与测试结果一致，说明HFSS在天线的设计中有很好的分析能力。

图五.天线的实测驻波特性

六 参考文献：

1．王元坤李玉权《线天线的宽频带技术》西安电子科技大学出版社 1995

2．王家勇等低轨道小卫星通信中谐振式四臂螺旋天线的应用研究电讯技术 2002

3．林昌禄《近代天线设计》人民邮电出版社 1990