一种双频四臂螺旋天线的设计

一种双频四臂螺旋天线的设计

0新型四臂螺旋天线的结构近年来，卫星跟踪定位和移动卫星通信的应用越来越受到重视，并在工作和生活中发挥了越来越重要的作用。这类系统要求天线具有宽波束和圆极化的特性,并能保持一定的低仰角增益。四臂螺旋天线由于具有较宽的圆极化辐射波束,可以在较低的仰角位置上保持较高的增益,且能通过选择适当的物理尺寸来形成不同的辐射方向图以满足不同空间应用的需要,还具有重量轻、尺寸小和不需要参考地的优点,故得到了广泛的应用。四臂螺旋天线由于其自身的结构特点,实现多频工作比较困难。平面螺旋由于采用自补的结构可得到特别宽的频带;而对于一般的单臂螺旋天线可以采用增加或者减小螺距角的方法展宽频带。谐振式四臂螺旋天线由于其频带窄,故不能采用调节螺距角的方法实现双频或多频工作。文献中采用了几条谐振在不同频率的辐射臂代替单一辐射频率的辐射臂来实现多频工作,并通过馈电网络来实现四臂螺旋的90°相移。但该结构也有以下一些限制,首先是当工作频段较低时,馈电网络尺寸较大,受到参考地尺寸的制约;其次,该结构在几个频段相近时较易实现,但当几个频带相隔较远时,馈电网络很难实现在较宽频带范围内的90°相移,且此时几条谐振在不同频率的辐射臂长短差距会较大,找到一种合适的螺旋臂的组合会非常困难。本文设计了一种适用于卫星导航定位和移动卫星通信系统的新型宽波束双频四臂螺旋天线,通过将分别工作于不同频率的两副结构类似的天线以封闭的方式共轴安装为一个整体结构来实现双频工作。天线采用开槽线巴伦实现平衡馈电,并利用螺旋臂的90°自相移结构较好的实现了天线的圆极化。该天线馈电结构简单,无复杂的馈电网络,亦不会受到参考地尺寸的限制,具有很大的优势。1天线结构和设计1.1天线参数的确定四臂螺旋天线结构如图1所示。它由四根螺旋臂组成,每根螺旋臂长度为Mλ/4(M为整数),若螺旋臂长度是λ/4的偶数倍(M为偶数),则终端短路;若螺旋臂长度是λ/4的奇数倍(M为奇数),则终端开路,螺旋臂长度包括直线部分和螺旋部分。四根螺旋臂馈电端电流相等,相位两两相差90°(分别为0°、90°、180°和270°)。天线的结构参数为Lax=N(1/N2)(Lele−Ar0)2−4π2r20−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(1)Lax=Ν(1/Ν2)(Lele-Ar0)2-4π2r02(1)式中,Lax是螺旋的轴向长度,单位为mm;Lele是螺旋臂的长度,单位为mm;r0是螺旋的半径,单位为mm;N为螺旋的圈数;M为奇数时A=1,M为偶数时A=2。1.2同轴外导电接收点间的平衡在用同轴线直接对天线进行馈电时,还需要考虑平衡馈电的问题,要避免天线与馈线间产生失配。由于同轴线是不平衡传输线,当同轴线的内外导体分别直接连接到两个辐射臂上时,内导体连接的臂上的电流会以位移电流的方式泄漏到同轴外导体连接的臂上,这样四臂螺旋天线两条臂上的电流分布就不再一致,这样就会导致天线的辐射特性发生改变,导致天线的方向图不再对称。所以在利用同轴进行馈电的时候,需要在同轴馈线与天线馈点间添加平衡-不平衡变换器(巴伦)进行连接。在本文的天线结构中,采用了开槽线巴伦,其具体结构如图2所示。1.39输入阻抗保护将四臂螺旋看成是两个双臂螺旋相交组成,设电阻和电抗分别为R、X,设两个双臂螺旋的输入阻抗分别为Z1、Z2。{Z1=R1+jX1Z2=R2+jX2(2){Ζ1=R1+jX1Ζ2=R2+jX2(2)调整两条双臂螺旋的长度,当输入阻抗满足R1=R2=R,X1×X2=-R2时,则满足圆极化条件;两臂的电阻相等,即馈电部分功率相等,且其中一臂应长于谐振长度,为感性,另一臂则短于谐振长度,为容性,相位差为90°。1.4自相移长丝环境导电天线基于以上理论,设计了一种采用平衡馈电、90°自相移结构的双频四臂螺旋天线,结构将分别工作于不同频率的两副结构类似的天线,以封闭的方式共轴安装为一个整体。开槽线巴伦无需另加馈电结构,利用同轴电缆自身的外皮和内芯电流幅度相等相位相差180°的特点,实现四臂的平衡馈电;90°自相移通过调节螺旋线的自身长度来实现,天线尺寸不受限制,结构简单易实现。该天线共有内外两组各4个臂,臂长都为所负责频率的半波长左右,其工作的两个频带分别属于UHF波段和S波段。其中,外面一组四臂螺旋工作在UHF波段,每臂旋转1/2圈,螺旋线直径为2.5mm;里面一组四臂螺旋工作在S波段,每臂旋转3/4圈,螺旋线直径为1.5mm。如果将四臂螺旋看成是由两个双臂螺旋相交组成,那么低频部分其中一臂的直径D1为36mm,另一臂直径D2为38.6mm,天线的轴长L为68.8mm;高频部分其中一臂的直径d1为23mm,另一臂直径d2为22mm,天线的轴长l为42.8mm。天线结构如图3所示。2试验和测量结果利用CST仿真优化后,制作了天线实物,并对天线进行了测试,天线实物如图4所示。2.1实测结果对比天线仿真与实测端口回波损耗,如图5所示。实测结果与计算结果基本吻合,在工作频点实测结果比计算结果偏大,考虑到天线加工及装配上的误差,这一偏差在合理范围之内。2.2天线的实测与测试天线在UHF频段实测和仿真的方向图,如图6所示。可以看出在该频段实测数据和仿真数据基本吻合,实测增益有5dBi。天线在UHF频段的仿真与测试的轴比方向图,如图7所示。Theta在-67°～70°的范围内,天线圆极化轴比都小于3.0dB,圆极化特性良好。天线在S波段实测和仿真的方向图,如图8所示。在该频段天线实测数据和仿真结果同样比较吻合,实测增益有4.8dBi。天线在S频段的仿真与测试的轴比方向图,如图9所示,θ在-62°～58°的范围内,天线圆极化轴比都小于3.0dB,圆极化特性良好。3螺旋臂长度设计所设计的适用于卫星定位系统的新型宽波束双频四臂螺旋天线,运用开槽线巴伦实现了平衡馈电,通过改变螺旋