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基于FEKO的宽频带圆极化天线仿真设计

2014/11/14    来源:Altair    作者:程琦峰  韩垒      
关键字:FEKO  电磁仿真  螺旋天线  
本文提出了一种基于常规螺旋天线实现超宽频带高增益的改进型螺旋天线。从仿真结果可以看出,在1.2GHz—2.5GHz的频率范围内,S11参数小于-12dB,单个天线单元的增益大于10dB,8单元的天线阵列增益在频带范围内均大于18dB,轴比低于3dB。

1 引言

    超宽带技术是无线通讯领域中极具竞争力和发展前景的技术之一,随着系统带宽的不断增加,对天线的宽带特性指标要求也越来越高。在整个电子系统的发展中,多任务多进程的要求也越来越高,这使得载体表面的天线数量增加,天线间的相互耦合增强,那么,超宽带天线为多系统共用同一副天线提供广大的前景。

    圆极化天线主要应用于卫星通信、卫星导航、以及一些地面通信系统,圆极化波是由两个正交的相位相差90。的等幅线极化波合成,具有通信质量高、保密性好、抗干扰能力强的特点。本文利用电磁仿真软件FEKO设计了工作在1.2—2.5GHz频率范围内的圆极化天线,涵盖了我国的北斗卫星导航系统、GPS导航系统,以及其他的一些数据通信系统。FEKO是基于数值方法矩量法(MOM)开发的商业软件,该方法结合多层快速多极子(MLFMM)使得精确分析电大问题成为可能。FEKO支持有限元方法(FEM),与有限元(FEM)混合求解,MLFMM+FEM混合算法可求解含高度非均匀介质电大尺寸问题,特别适合结构之间通过自由空间耦合的问题。本文仿真的螺旋阵列圆极化天线的仿真参数包括回波损耗S11参数、天线增益、极化轴比和天线二维、三维方向图。

2 模型的建立

2.1天线设计

    本文仿真设计的天线模型为螺旋天线,辐射体为导电性良好的金属螺旋线,当螺旋直径与波长之比D/A约为0.25—0.46,即螺旋一圈的周长约为一个波长左右时,螺旋天线上的电流是行波,其最大辐射方向沿螺旋的轴向,并且形成圆极化波。螺旋按照右旋的方式旋转上升,将产生右旋圆极化波,螺旋按照左旋的方式旋转上升将产生左旋圆极化波。

    利用FEKO软件对天线单元进行建模仿真。辐射部分为右旋的螺旋线,螺旋分为两段,底端的螺旋缠绕半径28mm,螺距30mm,螺旋线半径1.75mm,共8圈;顶部的螺旋线采用同样粗细的螺旋线,螺距23mm,螺旋缠绕半径依次递减3mm,一共四圈。天线底部反射板为半径80mm的金属板,模型单元如图1所示:

图1 天线单元模型

图1 天线单元模型

 图2 8单元天线阵列仿真模型

图2 8单元天线阵列仿真模型

    天线阵列的排布方式为水平线阵,单元数量8个,单元间距160mm,仿真模型如图2所示。

2.2参数设置及仿真结果

    频率设置:1.2e9Hz—2.5e9Hz,扫描点数14,频点之间间隔100MHz;

    端口设置:每个单元均采用edge port电压源馈电,幅相分布为等幅同相;

    网格剖分:模型建好之后,按照软件默认的λ/8进行网格剖分,通过mesh查看网格剖分情况,优先选择软件建议的网格剖分大小,为了提高计算精度,适当将网格剖分大小进行调整,并对螺旋线圈上的网格进行加密处理。

    通过FEKO软件的仿真,单个单元和天线阵列的仿真结果如下:

    S11参数:仿真结果显示,天线在整个频率范围内的S11参数都小于-12dB,仿真曲线如图3所示。

 图3 天线单元的S11参数曲线

图3 天线单元的S11参数曲线

责任编辑:吴星星
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