一种新型双臂螺旋天线的分析与设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 一种新型双臂螺旋天线的分析与设计 随着卫星无线电导航业务的迅猛发展，越来越多的国家开始发展自己的导航通信系统。由于各种导航通信系统的卫星在空间的分布有限，因此在低信息速率、小容量的卫星导航通信系统中，要求所用终端的天线具有体积小，损耗低，极化为圆极化，俯仰面要宽和方向图为全向方位面。虽然单臂螺旋天线和四臂螺旋天线经常被采用，然而单臂螺旋天线增益比双臂螺旋天线低2 dB，四臂螺旋天线要求各线的馈电相位分别为0，90，180，270，这就势必要求比较复杂的馈电网络，而双臂螺旋天线正好弥补了它们的缺点。通过调节螺旋的物理参数，能够得到主瓣指向卫星的赋形波束，所以在卫星

2、导航通信系统中双臂螺旋天线成了一种适宜的选择。 根据卫星导航通信系统要求，终端所用天线设计需要满足以下几点：天线覆盖范围为方位O360，天顶角为2058，波瓣中心增益为5.5 dBi，波瓣中心点19处的增益为2.5 d Bi。除此之外，发射右旋圆极化波的轴比小于3 dB，要求在不到1 %的频带内电压驻波比小于1.5。由于特殊的用途要求，终端所用天线不同于传统的法向和轴向螺旋天线。 1 天线模型的设计 采用的双臂螺旋天线，使用平行双线缠绕柱状介质棒而成，平行双线是一种开放式的传输线，其电场向外部延伸。当平行双线扭曲变形时就会引起辐射，其馈电点相位差180。由于采用同轴线给双线馈电，匹配变得至关重

3、要，也成为本天线设计的一个难点，在非对称的同轴线与对称螺旋线之间需要用到对称转换器(本文采用裂缝式对称转换器)，其构造示意图如图1所示。 在柱坐标中，螺旋线位于半径为r0的支撑杆表面上，螺旋线可以定义为： 它在和z向具有周期性，模型如图2所示。 2 天线分析以及性能的研究 双臂螺旋天线的双臂上电流近似为： 式中, 令为积分变量，则电场公式为： 其中一臂相位项为： 上述公式中参量的意义如图2所示，双臂辐射的电场在空间开展矢量叠加就形成了终的方向图。 双臂螺旋天线模型仿真结果如图3所示。在设计中，为了尽可能使电流在螺旋线末端近乎为零，使所有能量辐射出去，同时折衷构造的尺寸要求，需优化出双臂螺旋天线

4、基本尺寸，如螺旋线半径、介质杆半径、螺旋半径、螺距和螺旋圈数以及平衡器开槽深度0.25。计算结果说明，当圈数适当时这种双臂螺旋天线的尾瓣很小，具有宽的方向图，波束宽度能够到达11O以上，在波束宽度内轴比小于3 dB，方位面为全向辐射，而且增益能够到达6.1 dB，具有良好的匹配性能。 3 天线测试结果 根据理论优化设计结果，加工出双臂螺旋天线，经过测试可得出，当驻波小于等于1.4时，带宽到达10以上；当3 dB波瓣宽度大于等于120时，轴比小于等于3 dB，增益可到达5.6 dB。通过测试说明，双臂螺旋天线能够满足卫星导航通信系统的要求，并且该天线已经成功地实现了卫星导航通信试验。 4 结 语 设计了一种用于卫星导航通信系统的双臂螺旋天线，根据该系统的电气和构造要求优化设计出天线实物，通过对实物开展测试和在试验中的成功应用