一種新型螺旋天線的設(shè)計

1、一種新型螺旋天線的設(shè)計林敏 楊水根 龔錚權(quán)【摘要】介紹了一種新型諧振式螺旋天線，并對設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)作了闡述，最后通過一些實驗結(jié)果來說明它的性能指標(biāo)。這種新型天線將在衛(wèi)星移動通信和全球定位系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。關(guān)鍵詞：螺旋天線，寬頻帶，圓極化，寬波束The Design of a New Kind of Helix Antenna【Abstract】The paper introduces a new kind of resonan t helix antenna, then discusses key techniques in the course of design. Some exp

2、eriment results are provided to show its performance indexes. The new antenna will play an important role in satellite mobile communicati-ons and global position system.Key words:helix antenna, broad band， circular polarization, broad beam1 引言在衛(wèi)星移動通信和全球定位系統(tǒng)(GPS)中，常常需要一種體積小、重量輕、寬波束的圓極化天線。跟微帶天線相比，諧振式四

3、臂螺旋天線因更易于滿足這些要求而普遍地受到重視，并在這個領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。與一般的行波螺旋天線完全不同，這種天線由4根長度均為 m/4(m為一個整數(shù)，為波長)的螺旋臂組成，每根臂上的電流幅度相等、相位兩兩相差90 °，它的末端(即非饋電的那一端)在m取偶數(shù)時必須短路，在m取奇數(shù)時必須開路。作為一種諧振式天線，工作頻帶窄是其固有的缺點。為了解決這個問題，盡管人們想出了許多方法，但一直未能取得令人滿意的效果。而我們設(shè)計成功的八臂螺旋天線，在實現(xiàn)寬頻帶 (甚至雙頻)工作的同時，其他一些性能指標(biāo)均得到了較大的提高，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先對這種新型螺旋天線的工作原理作一個簡單的介

4、紹，然后闡述設(shè)計過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，最后還給出實測數(shù)據(jù)來說明該天線的各項性能指標(biāo)。2 工作原理2.1 寬頻帶工作原理盡管采用較粗螺旋臂可使四臂螺旋天線輸入阻抗的虛部隨頻率的變化變得較慢，從而能在一定范圍內(nèi)改善頻帶特性，但這種改進受到很大的限制，且增加了天線的重量和加工難度。為了能真正實現(xiàn)寬帶工作，我們以這種天線為基礎(chǔ)設(shè)計出了八臂螺旋天線，如圖1所示。這種新型天線由兩副形狀相同、共軸放置但臂長不同的四臂螺旋天線組成，我們只對其中的一副螺旋天線饋電，另一副天線上的電流則通過電磁耦合得到。理論分析和實際測試都表明，八臂螺旋天線的輸入阻抗呈雙頻工作特性，其中一個諧振頻率跟原來的四臂螺旋基本相同，而另

5、一個諧振頻率則取決于寄生臂的長度及其與饋電臂之間的距離。選擇好各種參數(shù)，使兩個諧振頻率適當(dāng)?shù)乜拷?，天線的輸入端就會在比原四臂螺旋寬得多的頻帶范圍內(nèi)有良好的駐波比特性，并且在此寬帶范圍內(nèi)，天線的輻射方向圖始終保持寬波束圓極化性能。圖1 八臂螺旋天線示意圖2.2 圓極化工作原理對于一個八臂螺旋天線，就其工作特性而言，由于一根饋電臂與跟它相鄰的那根寄生螺旋臂可等效成一根很粗的螺旋臂，因而它的圓極化原理與四臂螺旋天線完全相同。不失一般性，我們假設(shè)螺旋臂的長度為/2，旋轉(zhuǎn)角為180°。這種天線工作在諧振狀態(tài)，臂上的電流幅度接近正弦分布，其中最大值位于饋電點和短路點，零點位于螺旋臂的中部。當(dāng)只考

6、慮遠(yuǎn)區(qū)的輻射方向圖時，相對的一組螺旋臂就可以等效成的矩形環(huán)和圓形環(huán)兩個天線的組合，而圓環(huán)天線又可用一個電偶極子來代替，如圖2中的(a)和(b)所示。此時在遠(yuǎn)區(qū)得到的是零點與天線軸垂直的一個螺旋管形的圓極化方向圖。顯然，與它們在空間上垂直而相位差90°的另一組螺旋臂也輻射同樣的方向圖，它們迭加的最終結(jié)果是產(chǎn)生一個寬波束的心臟形圓極化方向圖。圖2 八臂螺旋天線的等效圖3 設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)3.1 饋電方式的選擇采用何種饋電方式。直接影響到天線的工作頻帶和方向圖的圓極化性能。由于這種螺旋天線要求四條饋電臂上的電流幅度相等、相位兩兩相差90°，因此較為常用的方法是將四根長為/4、

7、電流分布符合要求的同軸電纜直接跟螺旋臂相連，但這是一種非平衡饋電方式，不僅達不到寬頻帶的要求，而且實現(xiàn)起來非常困難。我們采用的無限巴倫結(jié)構(gòu)很好地解決了這個難題，具體做法是：用作為饋線的同軸電纜穿過一條螺旋臂后，在頂點(饋電點)將其外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體分別連在這條臂和對面的那條臂上，利用同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體外壁與外導(dǎo)體內(nèi)壁上的電流大小相等、方向相反的特點，對對面兩根臂完成等幅反相饋電。當(dāng)然，要實現(xiàn)圓極化，還需用一個功分器為兩根饋線提供幅度相等、相位正交的兩路信號，同時功分器還應(yīng)起到阻抗匹配的作用。圖3 八臂螺旋天線的駐波比曲線和阻抗曲線3.2 展寬波束的途徑盡管減小螺旋的直徑與高度之比能使波束變寬，但它對

8、面和面方向圖的影響不同，因而軸比小于3dB的波束仍然不寬，并且還會出現(xiàn)主瓣分裂現(xiàn)象。為了達到展寬波束的目的，我們在天線的下面附加一塊長和寬均為1.25左右的金屬反射板，這使得天線的最大輻射方向發(fā)生偏移，而在軸線方向出現(xiàn)一個凹坑。調(diào)節(jié)金屬板與螺旋中心的距離h，凹坑的深度和方向圖的半功率寬度均隨著改變。當(dāng)h=/4時，波束達到最寬，其值大大超過了沒有金屬板時的情況，并且軸比亦得到改善。3.3 結(jié)構(gòu)為了保證天線的電氣性能指標(biāo)和可靠性，我們采用了不同于四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)。在天線的頂部有一個塑料圓盤，它起到固定螺旋臂和減小兩根垂直饋電電纜相互耦合的作用：天線的底部有一個金屬安裝盒，以便把八根螺桿焊接在一起

9、。塑料圓盤、金屬安裝盒和底面反射板則通過一根高強度的不銹鋼圓桿固定在一起。4 實驗結(jié)果我們按照上面的思路設(shè)計了一個八臂螺旋天線，具體參數(shù)如下：螺旋臂長度： c/2螺旋高： 0.27c螺旋臂直徑： 0.006c螺旋臂旋轉(zhuǎn)度數(shù)： 180°螺旋中心距底板距離：c/4圖4 八臂螺旋天線的實測功率方向圖5 結(jié)束語八臂螺旋天線除了工作頻帶寬、在很寬的波束范圍內(nèi)圓極化性能好之外，還具有以下優(yōu)點：(1)天線的損耗??；(2)方向圖的旋轉(zhuǎn)對稱性好；(3)天線之間的互耦??；(4)適當(dāng)選擇參數(shù)，較易獲得雙頻工作特性。上述特點使得這種天線既能單獨應(yīng)用，又非常適合于作為天線陣的輻射單元。本新型GPS螺旋天線，能

10、夠有效地解決衛(wèi)星移動通信天線的寬角掃描問題，從而對真正實現(xiàn)“動中通”具有十分重要的意義。注：本文所述螺旋天線已經(jīng)獲得了國家專利，專利號為ZL95240143.6。作者單位：林敏（總參63研究所 南京 210016）楊水根（總參63研究所 南京 210016）龔錚權(quán)（總參63研究所 南京 210016）參 考 文 獻1J M Tranquilla, and S R Best. A Study of the Quadrifilar Helix Antenna f or Global Position System Applications. IEEE Trans. AP Vol.38,No.10,Oct.19902C CKilgus. Resonant Quadrifilar Helix Design. Microwave