新型諧振式螺旋天線的設計

本文介紹了一種適用于全球定位系統和衛星移動通信的新型諧振式螺旋天線，闡述了它的工作原理和設計過程中的關鍵技術，最后通過給出一些實驗結果來說明它的性能指標。
　　關鍵詞：螺旋天線　寬頻帶　圓極化　寬波束

一、 引　言

　　眾所周知，天線一直是衛星移動通信和全球定位系統（GPS）的一個技術難點，因為它除了必須滿足寬頻帶、寬波束和圓極化等一系列苛刻的電氣性能指標之外，還要做到體積小、重量輕，諧振式四臂螺旋天線因容易達到這些要求而得到了廣泛的應用。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為一個整數、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取偶數時必須短路，在m取奇數時必須開路。作為一種諧振式天線，工作頻帶窄是其固有的缺點。盡管為了解決這個問題，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計思路，研制成功的八臂螺旋天線在實現寬頻帶（甚至雙頻）工作的同時，其他性能指標也得到明顯改善。本文首先對這種新型天線的工作原理作一個簡單的介紹，然后闡述設計過程中的幾個關鍵技術，最后還通過給出實測的數據來說明該天線的各項性能指標。

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改善頻帶特性，但這種改進受到很大的限制，且付出的代價是增加了天線的重量和加工難度。為了能真正實現寬帶工作，我們以這種天線為基礎設計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，使得兩個諧振頻率適當地靠近，天線的輸入端就會在比原四臂螺旋寬得多的頻帶范圍內有良好的駐波比特性，并且在此寬帶范圍內，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，我們假設螺旋臂的長度為λ/2，旋轉角度為180°。在這種情況下，由于天線處于諧振工作狀態，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，那么我們就可得到由相對的兩根螺旋臂構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，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。顯然該模型可更進一步簡化為圖 2(b)所示的一個YZ平面上的電流環和一個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XZ平面上的電流環和一個Y軸上的電偶極子的組合。根據天線的基本原理，由于這兩組電流環和電偶極子互相垂直且相差90°，那么在遠區得到的是一個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、 關鍵技術及其實現方法

　　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現。而我們采用的無限巴倫結構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）將其外導體和內導體分別連在這條臂和對面的那條臂上，利用同軸電纜的內導體外壁與外導體內壁上的電流大小相等，方向相反的特點，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，并且還會出現主瓣分裂現象。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在1.25λ左右的金屬反射板，這使得天線的最大輻射方向發生偏移，而在軸線方向出現一個凹坑。調節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h =λ/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.結構
　　為了保證天線的電氣性能指
標和可靠性，我們采用了不同于四臂螺旋天線的結構。在天線的頂部有一個塑料圓盤，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度的不銹鋼圓桿固定在一起。

四、 實驗結果

　　我們按照上面的思路設計了一個八臂螺旋天線，它的具體參數如下：
　　螺旋臂長度：λC/2
　　螺旋高：0.27λC
　　螺旋直徑：0.146λC
　　螺旋臂直徑：0.006λC
　　螺旋臂旋轉度數：180°
　　螺旋中心距底板距離：λC/4
　　其中λC表示中心頻率對應的波長。最后得到該天線的實測結果如圖 3、圖 4所示。圖 3(a)中的曲線1表示在HP8510B矢量網絡分析儀上測得的四臂螺旋天線的駐波比特性曲線，為了便于比較，在同樣條件下測得的八臂螺旋天線駐波比由曲線2給出，可見八臂螺旋能明顯地展寬天線的頻帶；圖 3(b)表示在相同的儀器上測得的史密斯阻抗圓圖。此處我們根據要求將天線的頻帶設計在14%，而事實上可以做得更寬。圖 4(a)和(b)分別為工作頻率取0.93fc和1.07fc（即圖 3(a)中的標記2和3）時，由頻譜儀測出的遠區輻射方向圖，它們的半功率寬度分別達到140°以及145°左右，這么寬的波束是其它形式的天線很難達到的。

圖 3　八臂螺旋天線的駐波比曲線和阻抗曲線

圖 4　八臂螺旋天線的實測功率方向圖

五、 結束語

　　諧振式八臂螺旋天線除了工作頻帶寬，在很寬的波束范圍內圓極化性能好的特點之外，還具有以下優點：
　　(1) 天線的損耗小；
　　(2) 方向圖的旋轉對稱性好；
　　(3) 天線之間的互耦小；
　　(4) 適當地選擇參數，很容易獲得雙頻工作特性。
　　這些特點使得這種新型天線既能單獨應用，從而為GPS和衛星移動通信解決了一個技術難點，又非常適合于作為輻射單元來構成能真正實現寬角掃描的相控陣天線。因此我們認為這種八臂螺旋天線有著廣闊的應用前景。