一種新型雙臂螺旋天線的研究與設(shè)計
隨著衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，越來越多的國家開始發(fā)展自己的導(dǎo)航通信系統(tǒng)。由于各種導(dǎo)航通信系統(tǒng)的衛(wèi)星在空間的分布有限，因此在低信息速率、小容量的衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中，要求所用終端的天線具有體積小，損耗低，極化為圓極化，俯仰面要寬和方向圖為全向方位面。雖然單臂螺旋天線和四臂螺旋天線經(jīng)常被采用，然而單臂螺旋天線增益比雙臂螺旋天線低2 dB，四臂螺旋天線要求各線的饋電相位分別為0°，90°，180°，270°，這就勢必要求比較復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，而雙臂螺旋天線正好彌補了它們的缺點。通過調(diào)節(jié)螺旋的物理參數(shù)，能夠得到主瓣指向衛(wèi)星的賦形波束，所以在衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中雙臂螺旋天線成了一種適宜的選擇。
根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)要求，終端所用天線設(shè)計需要滿足以下幾點：天線覆蓋范圍為方位O°～360°，天頂角為20°～58°，波瓣中心增益為5．5 dBi，波瓣中心點±19°處的增益為2．5 d Bi。除此之外，發(fā)射右旋圓極化波的軸比小于3 dB，要求在不到1 %的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1．5。由于特殊的用途要求，終端所用天線不同于傳統(tǒng)的法向和軸向螺旋天線。
1 天線模型的設(shè)計
采用的雙臂螺旋天線，使用平行雙線纏繞柱狀介質(zhì)棒而成，平行雙線是一種開放式的傳輸線，其電場向外部延伸。當(dāng)平行雙線扭曲變形時就會引起輻射，其饋電點相位差180°。由于采用同軸線給雙線饋電，匹配變得至關(guān)重要，也成為本天線設(shè)計的一個難點，在非對稱的同軸線與對稱螺旋線之間需要用到對稱轉(zhuǎn)換器(本文采用裂縫式對稱轉(zhuǎn)換器)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
在柱坐標(biāo)中，螺旋線位于半徑為r0的支撐桿表面上，螺旋線可以定義為：
2 天線分析以及性能的研究
雙臂螺旋天線的雙臂上電流近似為：
其中一臂相位項為：
上述公式中參量的意義如圖2所示，雙臂輻射的電場在空間進(jìn)行矢量疊加就形成了最終的方向圖。
雙臂螺旋天線模型仿真結(jié)果如圖3所示。在設(shè)計中，為了盡可能使電流在螺旋線末端近乎為零，使所有能量輻射出去，同時折衷結(jié)構(gòu)的尺寸要求，需優(yōu)化出雙臂螺旋天線基本尺寸，如螺旋線半徑、介質(zhì)桿半徑、螺旋半徑、螺距和螺旋圈數(shù)以及平衡器開槽深度0．25λ。計算結(jié)果表明，當(dāng)圈數(shù)適當(dāng)時這種雙臂螺旋天線的尾瓣很小，具有寬的方向圖，波束寬度能夠達(dá)到11O°以上，在波束寬度內(nèi)軸比小于3 dB，方位面為全向輻射，而且增益能夠達(dá)到6．1 dB，具有良好的匹配性能。
3 天線測試結(jié)果
根據(jù)理論優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，加工出雙臂螺旋天線，經(jīng)過測試可得出，當(dāng)駐波小于等于1．4時，帶寬達(dá)到10％以上；當(dāng)3 dB波瓣寬度大于等于120時，軸比小于等于3 dB，增益可達(dá)到5．6 dB。通過測試表明，雙臂螺旋天線能夠滿足衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)的要求，并且該天線已經(jīng)成功地實現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航通信試驗。
4 結(jié) 語
設(shè)計了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)的雙臂螺旋天線，根據(jù)該系統(tǒng)的電氣和結(jié)構(gòu)要求優(yōu)化設(shè)計出天線實物，通過對實物進(jìn)行測試和在試驗中的成功應(yīng)用，表明新型雙臂螺旋天線能夠很好地滿足衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)通信入站回傳的要求，對于衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)天線的設(shè)計與研究具有很高的參考價值。
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