分析螺旋天线的两种工作模式

2018年 5月 3日

许多部署在基础通信系统中的天线都是线极化,这意味着就电场方向而言,极化被限制在了单个平面上。可产生圆极化电磁波的天线能给我们更多的选择,因为波的极化会在传播过程中发生变化,例如螺旋天线能够在轴向工作模式中产生圆极化波。RF 仿真可用于优化螺旋天线设计。

螺旋式增长:越来越多的螺旋天线应用

螺旋天线以其螺旋几何形状命名,它由一根或多根缠绕成螺旋状的导线构成。因其特殊形状,螺旋天线能够发射圆极化场。螺旋天线设计简单,但功能强大,应用丰富,例如智能植入装置及其他 RFID 设备使用了极小型天线。

大型螺旋天线常用于无线电、GPS 和弹道导弹系统,以及与绕地球和月球轨道运行的卫星与太空探测器之间的外太空通信。

安装在屋顶的螺旋天线照片。
卫星通信系统中的螺旋天线。图片版权属于美国公有领域,通过 Wikimedia Commons 分享。

一个当前的项目大胆地将螺旋天线应用到了一个它从未涉足的地方:火星。美国宇航局发起了一项“使用地震勘测、大地测量学和热传输(InSight)进行内部探索”的任务,旨在研究火星的内部结构,包括地壳、地幔和地核。火星着陆器将负责收集温度和热流等表面数据,帮助科学家更深入地了解火星岩石的形成过程。在各种负责测量与传输信息的仪器中,值得一提的是着陆器配备有 UHF螺旋天线,用于与轨道中继航天器进行通信。

带标注的洞察号着陆器图像。
InSight Mars着陆器的绘画。图片来自 NASA/JPL-Caltech。图片版权属于美国公有领域,通过 Wikimedia Commons 分享。

为了优化上述应用中的螺旋天线设计,我们需要了解它们的工作模式。RF 仿真能够胜任这一任务。

螺旋天线:两种工作模式

我们为螺旋天线添加了两个臂(导线),以便解释它的两种主要工作模式:

  1. 法向
  2. 轴向

与单极天线类似的是,法向模螺旋天线也是线极化,但由于后者呈螺旋形,因此相对更短且更紧凑。如果螺旋的周长明显小于波长,螺距明显小于四分之一波长,我们将它归类为法向模螺旋天线。在法向或垂直辐射模式下,天线的远场辐射方向图与经典偶极子天线的圆环状方向图类似。

在轴向或端射辐射模式下,天线会辐射圆极化波。圆极化波的好处之一是它们不易受多径衰落的影响,而且极化依赖性比线极化波小。如果螺旋周长接近工作波长,天线则属于轴向模螺旋天线。与法向模式相比,在轴向模式下,螺旋天线的工作频段要高很多,与沿螺旋轴的端射式阵列类似,会产生方向性很强的辐射方向图。

折叠偶极子天线的阻抗匹配能力

带双臂的螺旋天线的设计优势是匹配阻抗能力更强。单螺旋天线在法向模式下产生谐振时,其阻抗低得多。若添加第二个接地短路天线,就相当于增加一个折叠式天线,它的输入电阻比同尺寸的偶极天线大三倍,这样的话就可以和接近同轴线缆(50 Ω)阻抗的低阻抗元件实现阻抗匹配。

双臂螺旋天线的 COMSOL 模型。
双臂螺旋天线的模型及其轴向模辐射方向图。模型仅显示半个辐射方向图。

在 COMSOL Multiphysics® 软件中模拟双臂螺旋天线

此双臂螺旋天线示例使用 COMSOL Multiphysics® 软件的附加组件“RF 模块”进行建模。

如下所示,几何模型包含双臂螺旋辐射器、圆形接地板(蓝色)、调谐短截线、同轴电缆和包围空气域的完美匹配层(PML)。另外,两个螺旋结构沿 z 轴环绕,并在顶端相遇。

使用‘RF 模块’模拟双臂螺旋天线的几何。

在此例中,所有金属部件被建模为理想电导体(PEC),同轴电缆的内部与外部导体之间的空隙充满了聚四氟乙烯(PTFE)。我们利用同轴集总端口来激励天线。此外,所有域(PML 除外)均使用四面体网格进行网格划分,每个波长大概对应 5 个单元,并利用物理场控制网格对吸收方向上的 PML 自动扫掠。

除了增加第二个用于调节阻抗的天线之外,你还可以在接地板中心添加短截线以便对轴线模式进行阻抗调节。请注意,接地板、PML 球壳和最大网格尺寸会根据每种工作模式的波长自动调整。

研究仿真结果

我们计算了两种工作模式下的 S 参数和远场模式:法向模式下的对数电场强度为 0.385 GHz,轴向模式下为 4.77 GHz,参考下方结果绘图。你可以观察天线周围的场强在法向模式(左)和轴向模式(右)下的差异。

双臂螺旋天线的法向模式分析。
双臂螺旋天线的轴向模式分析。

天线周围的对数电场强度为 0.385 GHz(法向模式,左)和 4.77 GHz(轴向模式,右)。

接下来,我们看一看 yz 平面的二维辐射方向图的极坐标图。该图显示了两种工作模式。不出所料,你可以看到偶极天线在法向模式下的经典 E 平面方向图(蓝色)和在轴向模式下的定向辐射方向图(绿色)。

螺旋天线的二维辐射方向图的极坐标图。
yz 平面的远场模式的极坐标图,法向模式显示为蓝色,轴向模式显示为绿色。

此外,你还可以利用 3D 远场绘图对每个模式进行三维远场辐射图可视化处理。两种模式的 S 参数均小于 -10 dB。观察三维远场方向图,可以发现这些结果再次证明了法向模式下的偶极天线形状和轴向模式下的端射式阵列形状是合理的。

螺旋天线在法向模式下的三维远场辐射模式。
螺旋天线在轴向模式下的三维远场辐射模式。

螺旋天线在法向模式(左)下的三维远场方向图与偶极天线相似。轴向模式(右)下的三维远场方向图与由接地平面支撑的、沿 z 轴方向的端射式阵列天线类似。

下方轴比图显示了天线的圆极化程度。当天线被表征为理想圆极化时,轴比为 1 或 0dB。当小于 3 dB(红色圆圈内)时,我们通常认为天线是圆极化。下图中,天线视轴处的轴比小于 3 dB。天线视轴是轴向模式的主要传播方向,它平行于螺旋状的扭转轴。

轴比图显示螺旋天线的圆极化程度。
以 dB 为单位的轴比(蓝色),红线表示 3 dB。

通过对双臂螺旋天线进行建模,你可以有效地分析法向与轴向两种工作模式,这将有助于改进地球与外太空应用中的天线设计。

后续操作

想尝试螺旋天线建模吗?点击下方按钮即可开始。跳转到“案例下载”页面后,请登录 COMSOL Access 帐户下载 MPH 文件(需要有效的软件许可证)。

延伸阅读

欢迎阅读下列博客,了解更多关于天线建模的知识:

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