一種雙頻四臂螺旋天線的設計

0新型四臂螺旋天線的結構近年來，衛星跟蹤定位和移動衛星通信的應用越來越受到重視，并在工作和生活中發揮了越來越重要的作用。這類系統要求天線具有寬波束和圓極化的特性,并能保持一定的低仰角增益。四臂螺旋天線由于具有較寬的圓極化輻射波束,可以在較低的仰角位置上保持較高的增益,且能通過選擇適當的物理尺寸來形成不同的輻射方向圖以滿足不同空間應用的需要,還具有重量輕、尺寸小和不需要參考地的優點,故得到了廣泛的應用。四臂螺旋天線由于其自身的結構特點,實現多頻工作比較困難。平面螺旋由于采用自補的結構可得到特別寬的頻帶;而對于一般的單臂螺旋天線可以采用增加或者減小螺距角的方法展寬頻帶。諧振式四臂螺旋天線由于其頻帶窄,故不能采用調節螺距角的方法實現雙頻或多頻工作。文獻中采用了幾條諧振在不同頻率的輻射臂代替單一輻射頻率的輻射臂來實現多頻工作,并通過饋電網絡來實現四臂螺旋的90°相移。但該結構也有以下一些限制,首先是當工作頻段較低時,饋電網絡尺寸較大,受到參考地尺寸的制約;其次,該結構在幾個頻段相近時較易實現,但當幾個頻帶相隔較遠時,饋電網絡很難實現在較寬頻帶范圍內的90°相移,且此時幾條諧振在不同頻率的輻射臂長短差距會較大,找到一種合適的螺旋臂的組合會非常困難。本文設計了一種適用于衛星導航定位和移動衛星通信系統的新型寬波束雙頻四臂螺旋天線,通過將分別工作于不同頻率的兩副結構類似的天線以封閉的方式共軸安裝為一個整體結構來實現雙頻工作。天線采用開槽線巴倫實現平衡饋電,并利用螺旋臂的90°自相移結構較好的實現了天線的圓極化。該天線饋電結構簡單,無復雜的饋電網絡,亦不會受到參考地尺寸的限制,具有很大的優勢。1天線結構和設計1.1天線參數的確定四臂螺旋天線結構如圖1所示。它由四根螺旋臂組成,每根螺旋臂長度為Mλ/4(M為整數),若螺旋臂長度是λ/4的偶數倍(M為偶數),則終端短路;若螺旋臂長度是λ/4的奇數倍(M為奇數),則終端開路,螺旋臂長度包括直線部分和螺旋部分。四根螺旋臂饋電端電流相等,相位兩兩相差90°(分別為0°、90°、180°和270°)。天線的結構參數為Lax=N(1/N2)(Lele?Ar0)2?4π2r20??????????????????????√(1)Lax=Ν(1/Ν2)(Lele-Ar0)2-4π2r02(1)式中,Lax是螺旋的軸向長度,單位為mm;Lele是螺旋臂的長度,單位為mm;r0是螺旋的半徑,單位為mm;N為螺旋的圈數;M為奇數時A=1,M為偶數時A=2。1.2同軸外導電接收點間的平衡在用同軸線直接對天線進行饋電時,還需要考慮平衡饋電的問題,要避免天線與饋線間產生失配。由于同軸線是不平衡傳輸線,當同軸線的內外導體分別直接連接到兩個輻射臂上時,內導體連接的臂上的電流會以位移電流的方式泄漏到同軸外導體連接的臂上,這樣四臂螺旋天線兩條臂上的電流分布就不再一致,這樣就會導致天線的輻射特性發生改變,導致天線的方向圖不再對稱。所以在利用同軸進行饋電的時候,需要在同軸饋線與天線饋點間添加平衡-不平衡變換器(巴倫)進行連接。在本文的天線結構中,采用了開槽線巴倫,其具體結構如圖2所示。1.39輸入阻抗保護將四臂螺旋看成是兩個雙臂螺旋相交組成,設電阻和電抗分別為R、X,設兩個雙臂螺旋的輸入阻抗分別為Z1、Z2。{Z1=R1+jX1Z2=R2+jX2(2){Ζ1=R1+jX1Ζ2=R2+jX2(2)調整兩條雙臂螺旋的長度,當輸入阻抗滿足R1=R2=R,X1×X2=-R2時,則滿足圓極化條件;兩臂的電阻相等,即饋電部分功率相等,且其中一臂應長于諧振長度,為感性,另一臂則短于諧振長度,為容性,相位差為90°。1.4自相移長絲環境導電天線基于以上理論,設計了一種采用平衡饋電、90°自相移結構的雙頻四臂螺旋天線,結構將分別工作于不同頻率的兩副結構類似的天線,以封閉的方式共軸安裝為一個整體。開槽線巴倫無需另加饋電結構,利用同軸電纜自身的外皮和內芯電流幅度相等相位相差180°的特點,實現四臂的平衡饋電;90°自相移通過調節螺旋線的自身長度來實現,天線尺寸不受限制,結構簡單易實現。該天線共有內外兩組各4個臂,臂長都為所負責頻率的半波長左右,其工作的兩個頻帶分別屬于UHF波段和S波段。其中,外面一組四臂螺旋工作在UHF波段,每臂旋轉1/2圈,螺旋線直徑為2.5mm;里面一組四臂螺旋工作在S波段,每臂旋轉3/4圈,螺旋線直徑為1.5mm。如果將四臂螺旋看成是由兩個雙臂螺旋相交組成,那么低頻部分其中一臂的直徑D1為36mm,另一臂直徑D2為38.6mm,天線的軸長L為68.8mm;高頻部分其中一臂的直徑d1為23mm,另一臂直徑d2為22mm,天線的軸長l為42.8mm。天線結構如圖3所示。2試驗和測量結果利用CST仿真優化后,制作了天線實物,并對天線進行了測試,天線實物如圖4所示。2.1實測結果對比天線仿真與實測端口回波損耗,如圖5所示。實測結果與計算結果基本吻合,在工作頻點實測結果比計算結果偏大,考慮到天線加工及裝配上的誤差,這一偏差在合理范圍之內。2.2天線的實測與測試天線在UHF頻段實測和仿真的方向圖,如圖6所示。可以看出在該頻段實測數據和仿真數據基本吻合,實測增益有5dBi。天線在UHF頻段的仿真與測試的軸比方向圖,如圖7所示。Theta在-67°～70°的范圍內,天線圓極化軸比都小于3.0dB,圓極化特性良好。天線在S波段實測和仿真的方向圖,如圖8所示。在該頻段天線實測數據和仿真結果同樣比較吻合,實測增益有4.8dBi。天線在S頻段的仿真與測試的軸比方向圖,如圖9所示,θ在-62°～58°的范圍內,天線圓極化軸比都小于3.0dB,圓極化特性良好。3螺旋臂長度設計所設計的適用于衛星定位系統的新型寬波束雙頻四臂螺旋天線,運用開槽線巴倫實現了平衡饋電,通過改變螺旋