新型谐振式螺旋天线设计

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一、 引 言

众所周知,天线一直是卫星移动通信和全球定位系统(GPS)的一个技术难点,因为它除了必须满足宽频带、宽波束和圆极化等一系列苛刻的电气性能指标之外,还要做到体积小、重量轻,谐振式四臂螺旋天线因容易达到这些要求而得到了广泛的应用。与一般的行波螺旋天线完全不同,这种天线由4根长mλ/4(m为一个整数、λ为波长)的螺旋臂组成,每根臂上的电流幅度相等、相位两两相差90°,它的末端(即非馈电的那一端)在m取偶数时必须短路,在m取奇数时必须开路。作为一种谐振式天线,工作频带窄是其固有的缺点。尽管为了解决这个问题,人们想出了许多方法,但一直未能取得令人满意的效果。而我们采用一些新的设计思路,研制成功的八臂螺旋天线在实现宽频带(甚至双频)工作的同时,其他性能指标也得到明显改善。本文首先对这种新型天线的工作原理作一个简单的介绍,然后阐述设计过程中的几个关键技术,最后还通过给出实测的数据来说明该天线的各项性能指标。

二、 工作原理

1.宽频带工作原理

尽管采用较粗的螺旋臂可使四臂螺旋天线输入端的电抗随频率的变化变得较慢,因而能在一定范围内改善频带特性,但这种改进受到很大的限制,且付出的代价是增加了天线的重量和加工难度。为了能真正实现宽带工作,我们以这种天线为基础设计出的八臂螺旋天线如图 1所示。这种新型天线由两付形状相同,共轴放置,但臂长不同的四臂螺旋天线组成。我们只对其中的一付螺旋天线馈电,另一付天线上的电流则通过电磁耦合得到。理论分析和实际测试都表明,八臂螺旋天线的输入阻抗呈双频工作特性,其中一个谐振频率跟原来的四臂螺旋基本相同,而另一个谐振频率则取决于寄生臂的长度及其与馈电臂之间的距离。选择好各种参数,使得两个谐振频率适当地靠近,天线的输入端就会在比原四臂螺旋宽得多的频带范围内有良好的驻波比特性,并且在此宽带范围内,天线的辐射方向图始终保持宽波束圆极化性能。


 

图 1 八臂螺旋天线

2.圆极化工作原理

对于一个八臂螺旋天线,由于就工作特性而言,一根馈电臂与跟它相邻的那根寄生螺旋臂可等效成一根很粗的螺旋臂,因而它的圆极化工作原理跟四臂螺旋天线完全相同。不失一般性,我们假设螺旋臂的长度为λ/2,旋转角度为180°。在这种情况下,由于天线处于谐振工作状态,臂上的电流幅度接近正弦分布,其中最大值位于馈电点和短路点,零点位于螺旋臂的中部,那么我们就可得到由相对的两根螺旋臂构成的双臂螺旋天线的简化模型,如图 2(a)所示。此处我们选择螺旋中心为原点,螺旋轴为Z轴,顶面和底面上天线臂的平行线为Y轴来建立坐标系,另外柱面上的螺旋部分近似用直线和半圆的组合来代替,图中的实箭头表示电流方向,虚箭头表示圆上电流的矢量和。显然该模型可更进一步简化为图 2(b)所示的一个YZ平面上的电流环和一个X轴上的电偶极子的组合。同样跟它垂直的另一付双臂螺旋天线亦可等效成一个XZ平面上的电流环和一个Y轴上的电偶极子的组合。根据天线的基本原理,由于这两组电流环和电偶极子互相垂直且相差90°,那么在远区得到的是一个宽波束的心脏形圆极化方向图。


 

图 2 八臂螺旋天线等效图

三、 关键技术及其实现方法

1.馈电方式的选择

采用何种馈电方式,直接影响到天线的工作频带和方向图的圆极化性能。由于这种螺旋天线要求四条馈电臂上的电流幅度相等、相位两两相差90°,因此较为常用的方法是将四根长为λ/4、电流分布符合要求的同轴电缆直接跟螺旋臂相连,但这是一种窄带馈电方法,在工程上也不易于实现。而我们采用的无限巴伦结构很好地解决了这个难题,具体做法是用作为馈线的同轴电缆穿过一条螺旋臂后,在顶点(馈电点)将其外导体和内导体分别连在这条臂和对面的那条臂上,利用同轴电缆的内导体外壁与外导体内壁上的电流大小相等,方向相反的特点,完成对相对的两根螺旋臂的等幅反相馈电。此外,还需要附加一个功分器来保证两根馈线上的电流幅度相等、相位正交。

2.展宽波束的途径

尽管减少螺旋的直径与高度之比能使波束变宽,但它对θ面和Ф面方向图的影响不同,因而轴比小于3dB的波束仍然不宽,并且还会出现主瓣分裂现象。为了达到展宽波束的目的,我们在天线的下面附加一块长和宽均在1.25λ左右的金属反射板,这使得天线的最大辐射方向发生偏移,而在轴线方向出现一个凹坑。调节金属板与螺旋中心的距离h,凹坑的深度和方向图的半功率宽度均随着改变。当h =λ/4时,波束达到最宽,其值大大超过了没有金属板时的情况,并且轴比亦得到改善。

3.结构

为了保证天线的电气性能指

标和可靠性,我们采用了不同于四臂螺旋天线的结构。在天线的顶部有一个塑料圆盘,起到固定螺旋臂和减少两根垂直馈电电缆相互耦合的作用;天线的底部有一个金属安装盒,以便把八根螺杆焊接在一起。塑料圆盘、金属安装盒和底面反射板则通过一根高强度的不锈钢圆杆固定在一起。
四、 实验结果

我们按照上面的思路设计了一个八臂螺旋天线,它的具体参数如下:

螺旋臂长度:λC/2

螺旋高:0.27λC

螺旋直径:0.146λC

螺旋臂直径:0.006λC

螺旋臂旋转度数:180°

螺旋中心距底板距离:λC/4

其中λC表示中心频率对应的波长。最后得到该天线的实测结果如图 3、图 4所示。图 3(a)中的曲线1表示在HP8510B矢量网络分析仪上测得的四臂螺旋天线的驻波比特性曲线,为了便于比较,在同样条件下测得的八臂螺旋天线驻波比由曲线2给出,可见八臂螺旋能明显地展宽天线的频带;图 3(b)表示在相同的仪器上测得的史密斯阻抗圆图。此处我们根据要求将天线的频带设计在14%,而事实上可以做得更宽。图 4(a)和(b)分别为工作频率取0.93fc和1.07fc(即图 3(a)中的标记2和3)时,由频谱仪测出的远区辐射方向图,它们的半功率宽度分别达到140°以及145°左右,这么宽的波束是其它形式的天线很难达到的。


 

图 3 八臂螺旋天线的驻波比曲线和阻抗曲线


 

图 4 八臂螺旋天线的实测功率方向图

五、 结束语

谐振式八臂螺旋天线除了工作频带宽,在很宽的波束范围内圆极化性能好的特点之外,还具有以下优点:

(1) 天线的损耗小;

(2) 方向图的旋转对称性好;

(3) 天线之间的互耦小;

(4) 适当地选择参数,很容易获得双频工作特性。

这些特点使得这种新型天线既能单独应用,从而为GPS和卫星移动通信解决了一个技术难点,又非常适合于作为辐射单元来构成能真正实现宽角扫描的相控阵天线。因此我们认为这种八臂螺旋天线有着广阔的应用前景。

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