异物对天线性能的影响分析
李娜娜任仪郝宏刚尹波
摘要：针对异物的存在将对天线性能产生影响这一问题，设计了一款单臂阿基米德平面螺旋天线。该天线的尺寸相对较小，剖面极低，具有良好的宽频带特性和圆极化特性。通过HFSS软件模拟仿真并分析异物如铁块、木头、肌肉组织等对天线性能的影响。仿真结果表明：磁导率较大的铁块与介电常数较大的肌肉组织对天线性能影响较大，介电常数小的木头对天线性能影响较小；异物尺寸越大对天线性能的影响越明显；异物距天线轴向的横向距离不同对天线性能的影响程度也有所不同。分析结果为天线作为一种异物检测工具的可行性提供了理论依据。关键词：异物；阿基米德螺旋天线；驻波比；圆极化0引言随着科学技术的发展，社会已进入无线通信时代，任何无线电技术设备都是依靠无线电波来传递信息的。而天线作为无线电波的出口和入口，控制着电磁信息的辐射与接收，它是无线电系统中必不可少的重要组成部分。根据电磁理论[1]，电磁波遇到障碍物时会发生反射、吸收、散射、衍射等现象，因此，天线的性能不仅取决于其本身，而且和其所处的环境也息息相关。在一个理想的无线电系统中，除了天线罩和周围固定的物体外，出现的其它物体都称之为异物。在距离很近的情况下，异物的出现很可能会对天线产生干扰，从而影响天线性能。文献[2]使用FDTD方案计算分析了振子天线附近良导体对其输入阻抗特性和辐射方向的影响。文献[3]将金属片水平对称放置于折合偶极子天线的一侧，通过HFSS软件仿真分析了折合偶极子天线与金属的距离对天线性能的影响。阿基米德平面螺旋天线[34]在卫星通信、遥测遥控技术、电子侦察和反辐射制导等领域具有非常广泛的应用。它不仅具有较宽的频带和稳定的增益，而且还有较好的圆极化特性，会对云雨干扰、剧烈震动等影响表现出优良特性。由于其使用环境的复杂性，近场易出现金属、木头等物体影响天线的性能，基于此，本文设计了一款单臂阿基米德平面螺旋天线，通过改变异物的材料、大小及位置，分析其对天线的驻波比性能的影响。该研究可以为天线在特定的有限空间内作为异物检测工具提供理论依据。1天线设计阿基米德螺旋天线作为非频变天线的一种类型，其结构只由角度来确定，而不取决于任何特殊尺寸。阿基米德螺旋天线可以有1～N个臂，工程上用得最多的一般有单臂、双臂和四臂。双臂和四臂天线在结构上是对称的，必须采用相应的非平衡馈电到平衡馈电[5]的转换电路，即巴伦的设计；单臂螺旋天线[6]不需要采用复杂的馈电网络，直接采用简单的传统同轴馈电即可。1.1工作原理阿基米德螺旋的半径随角度的变化均匀地增加，其螺旋线方程为[7]r=r0+aφ（1）式（1）中：r0为起始半径；a为螺旋增长率；φ为方位角，用幅度表示。对于单臂螺旋天线[8]，起始半径为0，所以螺旋线方程又可写为r=aφ。平面螺旋天线的辐射臂从内向外都是等宽的，它的主要辐射区集中在平均周长为一个波长的那些环带上，即位于r=λ/2π的螺线段上。在有效辐射区外，电流变得很小，几乎没有辐射。有效辐射区和波长有关，其位置会随着频率在天线上移动，频率改变时，主辐射区随之变动，由此引起的方向图变化不大，这是平面螺旋天线具有宽频带的原因。天线的周长C=2πrmax，一般应使周长C≥1.25λmax，其中λmax由天线工作的下限频率决定。在辐射区内，沿着螺旋线相差四分之一波长的两点相位相差90°，此时电流方向是相互垂直的，电流的大小也几乎相等，满足了产生圆极化的条件。螺线的绕向决定了辐射圆极化波的旋向。1.2天线结构及仿真结果根据平面螺旋天线的设计原理，采用HFSS软件对天线进行建模，天线结构如图1所示。介质基板的相对介电常数为2.55，总半径为R1=35mm，高度为1.2mm；天线臂宽D与缝隙宽度相等，为自补型结构，D=2mm；接地板半径R2=5.5mm，位于螺旋起始位置下方。相对于通常的巴伦馈电结构，同轴探针直接馈电结构使设计得到较大简化。图1阿基米德螺旋天线结构图所设计天线的驻波比随频率的变化曲线如图2所示。当天线在1.52～8GHz频率范围内，驻波比均小于2，体现了该天线的宽频带特性。图3给出了轴比随频率变化的曲线，轴比（<3dB）的带宽范围为2.3～6.7GHz，显示出其良好的圆极化特性。图2驻波比随频率变化曲线图3轴比随频率变化曲线2模拟异物存在对天线的影响天线周围常见的异物有金属、纸板、木块、塑料制品、人及小动物等，可分为磁性介质和电性介质。本文主要选取铁块（μr=4000）、木板（εr=2.8）及肌肉组织（εr=47.7）作为模拟仿真对象，它们分别代表典型的磁介质、介电常数较小与介电常数较大的电性介质。在天线设计的基础上，分别分析异物类型、尺寸、位置等对天线性能的影响。2.1不同的异物材料对天线的影响天线水平放置，初始设定异物存在于天线正上方，底面距离天线5mm，异物模型尺寸为30mm×30mm×15mm，如图4所示。将异物设定成不同的材质，通过HFSS仿真，分别得到不同情况下天线的性能结果，如图5所示。由图5可以看出，当异物为金属等磁性介质时，天线的驻波比在2.8～6GHz变化较为剧烈；当异物为肌肉等介电常数较大的物质时，驻波比在1～5.5GHz频段变化较大，且在整个频段驻波比普遍较小；当异物为木头等介电常数较小的物质时，驻波比只在某些频段有微小变化。图4异物存在于天线上方模型图图5不同异物情况下的天线驻波比2.2异物大小的不同对天线的影响以金属材料为例，分析铁块大小的不同对天线性能的影响，得到的仿真结果如图6所示。中国期刊库最权威期刊论文发表网。其中，bs为异物模型的长与宽，高为bs/2。可以看出，随着异物模型的尺寸bsmm×bsmm×（bs/2）mm逐渐增大，天线驻波比的性能波动也越来越剧烈。
2.3异物位置的不同对天线的影响当尺寸为20mm×20mm×10mm的铁块横向偏离天线中心位置的距离为bx（bx为偏移变量）时，对天线的性能影响如图7所示。由图7可以看出，偏移量变大时，驻波比的波动有增大的趋势；随着偏移量越来越大，驻波比的变化逐渐变小，趋向于无异物时的驻波特性。图6铁块尺寸不同情况下图7铁块位置不同情况下的天线驻波比的天线驻波比3结束语通过HFSS软件对阿基米德螺旋天线与异物进行建模仿真，分析了近距离异物的存在对天线性能的干扰作用，结果表明干扰程度与异物的材质、大小及与天线的相对位置有关。磁导率较大的磁性介质与介电常数较大的电性介质对天线性能影响较大，反之影响较小；异物尺寸越大对天线性能的影响越明显；异物所处的位置不同对天线性能的影响程度也有所不同。仿真分析结果表明，近距离存在的物体将引起天线驻波等性能发生改变，可以利用天线性能的改变来判断某些系统中是否存在异物，以提高系统工作的可靠性和安全性。参考文献：[1]曹伟，徐立勤.电磁场与电磁波理论[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.[2]方冰，钱祖平，倪为民.障碍物对天线的干扰分析[J].军事通信技术，2007，28（1）：5860.[3]尚丹，刘奕昌，刘公望.折合偶极子天线与金属的距离对天线性能的影响[J].现代电子技术，2007（12）：156158.[4]邓力.宽频天线小型化设计理论及圆极化微带天线研究[D].北京：北京邮电大学，2010.[5]朱玉晓，钟顺时，许赛卿，等.小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计[J].上海大学学报：自然科学版，2008，14（6）：581584.[6]HISAMATSUN，RYOHEIS，JUNJIY.Extremelylowprofilesinglearmwidebandspiralantennaradiatingacircularlypolarizedwave[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2010，58（5）：15111520.[7]杨莘元，马惠珠，张朝柱.现代天线技术[M].北京：北京理工大学出版社，2009.
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