新型諧振式螺旋天線(xiàn)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(xiàn)，闡述了它的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，最后通過(guò)給出一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)明它的性能指標(biāo)。
　　關(guān)鍵詞：螺旋天線(xiàn)　寬頻帶　圓極化　寬波束

一、 引　言

　　眾所周知，天線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)完全不同，這種天線(xiàn)由4根長(zhǎng)mλ/4（m為一個(gè)整數(shù)、λ為波長(zhǎng)）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(kāi)路。作為一種諧振式天線(xiàn)，工作頻帶窄是其固有的缺點(diǎn)。盡管為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們想出了許多方法，但一直未能取得令人滿(mǎn)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(xiàn)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(duì)這種新型天線(xiàn)的工作原理作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，然后闡述設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，最后還通過(guò)給出實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明該天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的八臂螺旋天線(xiàn)如圖 1所示。這種新型天線(xiàn)由兩付形狀相同，共軸放置，但臂長(zhǎng)不同的四臂螺旋天線(xiàn)組成。我們只對(duì)其中的一付螺旋天線(xiàn)饋電，另一付天線(xiàn)上的電流則通過(guò)電磁耦合得到。理論分析和實(shí)際測(cè)試都表明，八臂螺旋天線(xiàn)的輸入阻抗呈雙頻工作特性，其中一個(gè)諧振頻率跟原來(lái)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(zhǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)

　　2.圓極化工作原理
　　對(duì)于一個(gè)八臂螺旋天線(xiàn)，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(xiàn)完全相同。不失一般性，我們假設(shè)螺旋臂的長(zhǎng)度為λ/2，旋轉(zhuǎn)角度為180°。在這種情況下，由于天線(xiàn)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(duì)的兩根螺旋臂構(gòu)成的雙臂螺旋天線(xiàn)的簡(jiǎn)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(xiàn)臂的平行線(xiàn)為Y軸來(lái)建立坐標(biāo)系，另外柱面上的螺旋部分近似用直線(xiàn)和半圓的組合來(lái)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(jiǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的工作頻帶和方向圖的圓極化性能。由于這種螺旋天線(xiàn)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(zhǎng)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(wú)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(xiàn)的同軸電纜穿過(guò)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(duì)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(duì)相對(duì)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(lái)保證兩根饋線(xiàn)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(duì)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?cè)谔炀€(xiàn)的下面附加一塊長(zhǎng)和寬均在1.25λ左右的金屬反射板，這使得天線(xiàn)的最大輻射方向發(fā)生偏移，而在軸線(xiàn)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(guò)了沒(méi)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(xiàn)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(xiàn)的結(jié)構(gòu)。在天線(xiàn)的頂部有一個(gè)塑料圓盤(pán)，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(xiàn)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(pán)、金屬安裝盒和底面反射板則通過(guò)一根高強(qiáng)度的不銹鋼圓桿固定在一起。

四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　我們按照上面的思路設(shè)計(jì)了一個(gè)八臂螺旋天線(xiàn)，它的具體參數(shù)如下：
　　螺旋臂長(zhǎng)度：λC/2
　　螺旋高：0.27λC
　　螺旋直徑：0.146λC
　　螺旋臂直徑：0.006λC
　　螺旋臂旋轉(zhuǎn)度數(shù)：180°
　　螺旋中心距底板距離：λC/4
　　其中λC表示中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。最后得到該天線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 3、圖 4所示。圖 3(a)中的曲線(xiàn)1表示在HP8510B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)得的四臂螺旋天線(xiàn)的駐波比特性曲線(xiàn)，為了便于比較，在同樣條件下測(cè)得的八臂螺旋天線(xiàn)駐波比由曲線(xiàn)2給出，可見(jiàn)八臂螺旋能明顯地展寬天線(xiàn)的頻帶；圖 3(b)表示在相同的儀器上測(cè)得的史密斯阻抗圓圖。此處我們根據(jù)要求將天線(xiàn)的頻帶設(shè)計(jì)在14%，而事實(shí)上可以做得更寬。圖 4(a)和(b)分別為工作頻率取0.93fc和1.07fc（即圖 3(a)中的標(biāo)記2和3）時(shí)，由頻譜儀測(cè)出的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖，它們的半功率寬度分別達(dá)到140°以及145°左右，這么寬的波束是其它形式的天線(xiàn)很難達(dá)到的。

圖 3　八臂螺旋天線(xiàn)的駐波比曲線(xiàn)和阻抗曲線(xiàn)

圖 4　八臂螺旋天線(xiàn)的實(shí)測(cè)功率方向圖

五、 結(jié)束語(yǔ)

　　諧振式八臂螺旋天線(xiàn)除了工作頻帶寬，在很寬的波束范圍內(nèi)圓極化性能好的特點(diǎn)之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1) 天線(xiàn)的損耗??；
　　(2) 方向圖的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性好；
　　(3) 天線(xiàn)之間的互耦?。?br>　　(4) 適當(dāng)?shù)剡x擇參數(shù)，很容易獲得雙頻工作特性。
　　這些特點(diǎn)使得這種新型天線(xiàn)既能單獨(dú)應(yīng)用，從而為GPS和衛(wèi)星移動(dòng)通信解決了一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，又非常適合于作為輻射單元來(lái)構(gòu)成能真正實(shí)現(xiàn)寬角掃描的相控陣天線(xiàn)。因此我們認(rèn)為這種八臂螺旋天線(xiàn)有著廣闊的應(yīng)用前景。