新型諧振式螺旋天線的設(shè)計(jì)

本文介紹了一種適用于全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信的新型諧振式螺旋天線，闡述了它的工作原理和設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，最后通過給出一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說明它的性能指標(biāo)。
　　關(guān)鍵詞：螺旋天線　寬頻帶　圓極化　寬波束

一、 引　言

　　眾所周知，天線一直是衛(wèi)星移動(dòng)通信和全球定位系統(tǒng)（GPS）的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)樗吮仨殱M足寬頻帶、寬波束和圓極化等一系列苛刻的電氣性能指標(biāo)之外，還要做到體積小、重量輕，諧振式四臂螺旋天線因容易達(dá)到這些要求而得到了廣泛的應(yīng)用。與一般的行波螺旋天線完全不同，這種天線由4根長mλ/4（m為一個(gè)整數(shù)、λ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(shí)必須短路，在m取奇數(shù)時(shí)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(diǎn)。盡管為了解決這個(gè)問題，人們想出了許多方法，但一直未能取得令人滿意的效果。而我們采用一些新的設(shè)計(jì)思路，研制成功的八臂螺旋天線在實(shí)現(xiàn)寬頻帶（甚至雙頻）工作的同時(shí)，其他性能指標(biāo)也得到明顯改善。本文首先對這種新型天線的工作原理作一個(gè)簡單的介紹，然后闡述設(shè)計(jì)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，最后還通過給出實(shí)測的數(shù)據(jù)來說明該天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

二、 工作原理

　　1.寬頻帶工作原理
　　盡管采用較粗的螺旋臂可使四臂螺旋天線輸入端的電抗隨頻率的變化變得較慢，因而能在一定范圍內(nèi)改善頻帶特性，但這種改進(jìn)受到很大的限制，且付出的代價(jià)是增加了天線的重量和加工難度。為了能真正實(shí)現(xiàn)寬帶工作，我們以這種天線為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的八臂螺旋天線如圖 1所示。這種新型天線由兩付形狀相同，共軸放置，但臂長不同的四臂螺旋天線組成。我們只對其中的一付螺旋天線饋電，另一付天線上的電流則通過電磁耦合得到。理論分析和實(shí)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(gè)諧振頻率跟原來的四臂螺旋基本相同，而另一個(gè)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)，使得兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)?shù)乜拷?，天線的輸入端就會(huì)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

　　2.圓極化工作原理
　　對于一個(gè)八臂螺旋天線，由于就工作特性而言，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，因而它的圓極化工作原理跟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λ/2，旋轉(zhuǎn)角度為180°。在這種情況下，由于天線處于諧振工作狀態(tài)，臂上的電流幅度接近正弦分布，其中最大值位于饋電點(diǎn)和短路點(diǎn)，零點(diǎn)位于螺旋臂的中部，那么我們就可得到由相對的兩根螺旋臂構(gòu)成的雙臂螺旋天線的簡化模型，如圖 2(a)所示。此處我們選擇螺旋中心為原點(diǎn)，螺旋軸為Z軸，頂面和底面上天線臂的平行線為Y軸來建立坐標(biāo)系，另外柱面上的螺旋部分近似用直線和半圓的組合來代替，圖中的實(shí)箭頭表示電流方向，虛箭頭表示圓上電流的矢量和。顯然該模型可更進(jìn)一步簡化為圖 2(b)所示的一個(gè)YZ平面上的電流環(huán)和一個(gè)X軸上的電偶極子的組合。同樣跟它垂直的另一付雙臂螺旋天線亦可等效成一個(gè)XZ平面上的電流環(huán)和一個(gè)Y軸上的電偶極子的組合。根據(jù)天線的基本原理，由于這兩組電流環(huán)和電偶極子互相垂直且相差90°，那么在遠(yuǎn)區(qū)得到的是一個(gè)寬波束的心臟形圓極化方向圖。

圖 2　八臂螺旋天線等效圖

三、 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法

　　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λ/4、電流分布符合要求的同軸電纜直接跟螺旋臂相連，但這是一種窄帶饋電方法，在工程上也不易于實(shí)現(xiàn)。而我們采用的無限巴倫結(jié)構(gòu)很好地解決了這個(gè)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(diǎn)（饋電點(diǎn)）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(diǎn)，完成對相對的兩根螺旋臂的等幅反相饋電。此外，還需要附加一個(gè)功分器來保證兩根饋線上的電流幅度相等、相位正交。
　　2.展寬波束的途徑
　　盡管減少螺旋的直徑與高度之比能使波束變寬，但它對θ面和Ф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(huì)出現(xiàn)主瓣分裂現(xiàn)象。為了達(dá)到展寬波束的目的，我們在天線的下面附加一塊長和寬均在1.25λ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(gè)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 =λ/4時(shí)，波束達(dá)到最寬，其值大大超過了沒有金屬板時(shí)的情況，并且軸比亦得到改善。
　　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(gè)塑料圓盤，起到固定螺旋臂和減少兩根垂直饋電電纜相互耦合的作用；天線的底部有一個(gè)金屬安裝盒，以便把八根螺桿焊接在一起。塑料圓盤、金屬安裝盒和底面反射板則通過一根高強(qiáng)度的不銹鋼圓桿固定在一起。