在COMSOL Multiphysics? 軟件中模擬雙臂螺旋天線

北京時間 2018 年 11 月 27 日凌晨，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的無人探測器“洞察號”（InSight）成功抵達(dá)火星登陸點(diǎn)，并順利傳回首張照片，開始了歷史上首次探索火星內(nèi)部的任務(wù)。

美國宇航局發(fā)起的這項“使用地震勘測、大地測量學(xué)和熱傳輸（InSight）進(jìn)行內(nèi)部探索”的任務(wù)，旨在研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括地殼、地幔和核心?；鹦侵懫鲗⒇?fù)責(zé)收集溫度和熱流等表面數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家更深入地了解火星巖石的形成過程。這個項目大膽地將螺旋天線應(yīng)用到了一個它從未涉足的地方：火星。在各種負(fù)責(zé)測量與傳輸信息的儀器中，著陸器配備有 UHF 螺旋天線，用于與軌道中繼航天器進(jìn)行通信。

InSight Mars 著陸器的繪畫。圖片來自 NASA/JPL-Caltech。圖片版權(quán)屬于美國公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。

許多部署在基礎(chǔ)通信系統(tǒng)中的天線都是線極化，這意味著就電場方向而言，極化被限制在了單個平面上。圓極化螺旋天線的電場方向可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因?yàn)椴ǖ臉O化會在傳播過程中發(fā)生變化，例如螺旋天線能夠在軸向工作模式中產(chǎn)生圓極化波。RF 仿真可用于優(yōu)化螺旋天線設(shè)計。

螺旋式增長：越來越多的螺旋天線應(yīng)用

螺旋天線以其螺旋幾何形狀命名，它由一根或多根纏繞成螺旋狀的導(dǎo)線構(gòu)成。因其特殊形狀，螺旋天線能夠發(fā)射圓極化場。螺旋天線設(shè)計簡單，但功能強(qiáng)大，應(yīng)用豐富，例如智能植入裝置及其他 RFID 設(shè)備使用了極小型天線。

大型螺旋天線常用于無線電、GPS 和彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)，以及與繞地球和月球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星與太空探測器之間的外太空通信。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的螺旋天線。圖片版權(quán)屬于美國公有領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。

為了優(yōu)化上述應(yīng)用中的螺旋天線設(shè)計，我們需要了解它們的工作模式。RF 仿真能夠勝任這一任務(wù)。

螺旋天線：兩種工作模式

我們?yōu)槁菪炀€添加了兩個臂（導(dǎo)線），以便解釋它的兩種主要工作模式：

法向

軸向

與單極天線類似的是，法向模螺旋天線也是線極化，但由于后者呈螺旋形，因此相對更短且更緊湊。如果螺旋的周長明顯小于波長，螺距明顯小于四分之一波長，我們將它歸類為法向模螺旋天線。在法向或垂直輻射模式下，天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖與經(jīng)典偶極子天線的圓環(huán)狀方向圖類似。

在軸向或端射輻射模式下，天線會輻射圓極化波。圓極化波的好處之一是它們不易受多徑衰落的影響，而且極化依賴性比線極化波小。如果螺旋周長接近工作波長，天線則屬于軸向模螺旋天線。與法向模式相比，在軸向模式下，螺旋天線在一個相當(dāng)高的頻帶產(chǎn)生諧振，與沿螺旋軸的端射式陣列類似，會產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的輻射方向圖。

折疊偶極子天線的阻抗匹配能力

帶雙臂的螺旋天線的設(shè)計優(yōu)勢是匹配阻抗能力更強(qiáng)。單螺旋天線在法向模式下產(chǎn)生諧振時，其阻抗低得多。若添加第二個接地短路天線，就相當(dāng)于增加一個折疊式天線，它的輸入電阻比同尺寸的偶極天線大三倍，這意味著你可以對接近于同軸電纜參考阻抗（50Ω）的低阻抗進(jìn)行調(diào)整。

雙臂螺旋天線的模型及其軸向模輻射方向圖。模型僅顯示半個輻射方向圖。

在 COMSOL Multiphysics? 軟件中模擬雙臂螺旋天線

此雙臂螺旋天線示例使用 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加組件“RF 模塊”進(jìn)行建模。

如下所示，幾何模型包含雙臂螺旋輻射器、圓形接地板（藍(lán)色）、調(diào)諧短截線、同軸電纜和包圍空氣域的完美匹配層（PML）。另外，兩個螺旋結(jié)構(gòu)沿 z 軸環(huán)繞，并在頂端相遇。

在此例中，所有金屬部件被建模為理想電導(dǎo)體（PEC），同軸電纜的內(nèi)部與外部導(dǎo)體之間的空隙充滿了聚四氟乙烯（PTFE）。我們利用同軸集總端口來激勵天線。此外，所有域（PML 除外）均使用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個波長大概對應(yīng) 5 個單元，并利用物理場控制網(wǎng)格對吸收方向上的 PML 自動掃掠。

除了增加第二個用于調(diào)節(jié)阻抗的天線之外，你還可以為接地板中心的軸向模式添加短截線阻抗匹配。請注意，接地板、PML 球殼和最大網(wǎng)格尺寸會根據(jù)每種工作模式的波長自動調(diào)整。

研究仿真結(jié)果

我們計算了兩種工作模式下的 S 參數(shù)和遠(yuǎn)場模式：法向模式下的對數(shù)電場強(qiáng)度為 0.385 GHz，軸向模式下為 4.77 GHz，參考下方結(jié)果繪圖。你可以觀察天線周圍的場強(qiáng)在法向模式（左）和軸向模式（右）下的差異。

天線周圍的對數(shù)電場強(qiáng)度為 0.385 GHz（法向模式，上）和 4.77 GHz（軸向模式，下）。

接下來，我們看一看 yz 平面的二維輻射方向圖的極坐標(biāo)圖。該圖顯示了兩種工作模式。不出所料，你可以看到偶極天線在法向模式下的經(jīng)典 E 平面方向圖（藍(lán)色）和在軸向模式下的定向輻射方向圖（綠色）。

yz 平面的遠(yuǎn)場模式的極坐標(biāo)圖，法向模式顯示為藍(lán)色，軸向模式顯示為綠色。

此外，你也可以在每個模式的三維遠(yuǎn)場輻射圖中繪制出輻射方向圖。兩種模式的 S 參數(shù)均小于 -10 dB。觀察三維遠(yuǎn)場模式，可以發(fā)現(xiàn)這些結(jié)果再次證明了法向模式下的偶極天線形狀和軸向模式下的端射式陣列形狀是合理的。

螺旋天線在法向模式（上）下的三維遠(yuǎn)場模式與偶極天線相似。軸向模式（下）下的三維遠(yuǎn)場模式與由接地平面支撐的、沿 z 軸方向的端射式陣列天線類似。

下方軸比圖顯示了天線的圓極化程度。當(dāng)天線被表征為理想圓極化時，軸比為 1 或 0 dB。當(dāng)小于 3 dB（紅色圓圈內(nèi)）時，我們通常認(rèn)為天線是圓極化。下圖中，天線視軸處的軸比小于 3 dB。天線視軸是軸向模式的主要傳播方向，它平行于螺旋狀的扭轉(zhuǎn)軸。

以 dB 為單位的軸比（藍(lán)色），紅線表示 3 dB。

通過對雙臂螺旋天線進(jìn)行建模，你可以有效地分析法向與軸向兩種工作模式，這將有助于改進(jìn)地球與外太空應(yīng)用中的天線設(shè)計。