宽带宽角四臂螺旋天线

admin

                1  引言

                        宽波束圆极化天线作为卫星天线和非跟踪性地面天线得到广泛的应用，C.C.Kilgus在1968年提出的谐振式四臂螺旋天线最大的特点是能通过选择适当的物理尺寸以形成不同的辐射方向图来满足不同应用的需求，同时多臂螺旋的对称性结构又使天线具有稳定的相位，应用在监测定位中可以极大提高系统测量和定位精度，但是由于四臂螺旋天线馈电系统的复杂性，限制了它的使用。本文采用了一种全新的四端口宽带匹配网络，由于其能产生900自相移的平衡馈电结构，极大的展宽了四臂螺旋天线的带宽，加上我们特殊设计的四臂螺旋结构，还使得天线具有宽角宽轴比的特性。
                         
                        2  平衡馈电网络

                        为了产生相移，形成圆极化辐射，以往经常采用下列两种形式：(1)通过馈电网络，一般采用3dB电桥；(2)采用一种无限巴伦结构〔2〕，如图1所示。前者馈电结构复杂，需要使用三个电桥级联，对级间匹配要求过高，不易于设计和工程使用；后者结构虽然简单，但是却降低了天线的性能，使得天线带宽窄，轴比差。
                         
                        为了简化设计，提高天线性能，我们设计了一种宽带的平衡馈电结构，如图2所示。其中port0为天线的外部输入口，port1～port4分别为四个螺旋臂提供等幅、相差依次为900的平衡馈电。
                         
       

               

       

                图1  无限巴伦馈电结构

       

               

       

                图2  平衡馈电结构

       

               

       

                图3  天线仿真模型

                 
                        这种馈电网络将port0输入的能量在经过第一级功分器时按1：3分配，然后在经过第2级时按1：2分配，在第三级分配时为1：1等功分，这样从port1～port4这四个端口得到等功率分配的馈电。其在驻波比小于1.2以内的带宽大于20％，而幅度和相位的变化却很小，性能参数如图3～图5。在f＝2.0GHz～2.4GHz范围内，各端口能量平均分配，幅度变化范围约为±0.5dB，而相对相位（ ）变化约为±100。
       

                 

       

               

       

                图3   s11 曲线

       

               

       

                图4  相位变化曲线

       

               

       

                图5  各端口幅度变化曲线

                         
                        从上述图形可以看出，4个输出端口的幅度均控制在-5.5～-6.5dB，而各端口s02、s03、s04相对s01的相位差依次约为-90°、-180°和-270°，在目前的各种圆极化馈电网络中，这种等幅、相差依次为900的馈电方式由于其强制馈电的结构特点，最能够提高天线的圆极化轴比性能，在能够简化其结构设计的情况下，成为宽带圆极化天线的最佳选择。
                 
                        3  天线设计和性能指标

                        四臂螺旋天线的结构如图3，它由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂分别截取四分之一周长，实则介于螺旋和单极子天线之间，为两者的综合变形。D为螺旋天线的直径，S为螺距，螺旋线起点到接地板之间的距离为g。
                         
       

               

       

                图7  天线驻波曲线

                         
                        经过调整得到D＝45mm，S＝130mm，d=4mm,g＝3mm(分别改变参数D和S的值，可以得到不同的波束形状，d可以调整天线驻波)。图7为天线的驻波曲线，在2.0～2.4GHz内驻波小于2.0。图8则为天线增益（交叉极化）方向图曲线。
                         
                        对于螺旋来说，各参数需要满足
                        ，适当的改变D和S的值，可以得到不同的方向图赋形，图8分别给出了三组参数的方向图，可以看出随着D的增加，S的减小，天线波束变窄，反之则变宽。
                         
       

               

       

                图8  增益方向图

                         
                        从图中还可以天线参数对轴比（交叉极化）的影响不大，不同情况下天线交叉极化均大于10dB，即轴比均小于6dB。从天线模型上可以看出，馈电网络提供的是右旋圆极化的馈电方式，而螺旋的绕制方向却为左旋，我们采用这样相反的形式，适当调整天线尺寸，正好可以使低剖面方向场强叠加，得到了宽角宽波束的方向图。如图8所示，天线波束在±80°时，不仅有较高的增益，而且依然保持了良交叉极化特性。
                         
                        4  结论

                        本文给出了一种宽带、900自相移结构的平衡馈电网络，它不仅能为四臂螺旋天线提供最优的匹配，还能够广泛的使用在其他圆极化天线中。同时采用反向的螺旋绕制方式，得到了宽角宽波束的增益方向性图，这是一种全新的天线，它不仅成本低、结构简单，而且天线方向图特殊，具有很高的工程实用性。