一种新型螺旋天线的设计

一种新型螺旋天线的设计

林敏杨水根龚铮权

【摘要】介绍了一种新型谐振式螺旋天线，并对设计过程中的关键技术作了阐述，最后通过一些实验结果来说明它的性能指标。这种新型天线将在卫星移动通信和全球定位系统中发挥重要作用。

关键词：螺旋天线，宽频带，圆极化，宽波束

The Design of a New Kind of Helix Antenna

【Abstract】The paper introduces a new kind of resonan t helix antenna, then discusses key techniques in the course of design. Some experiment results are provided to show its performance indexes. The new antenna will play an important role in satellite mobile communicati-ons and global position system.

Key words:helix antenna, broad band，circular polarization, broad beam

1引言

在卫星移动通信和全球定位系统(GPS)中，常常需要一种体积小、重量轻、宽波束的圆极化天线。跟微带天线相比，谐振式四臂螺旋天线因更易于满足这些要求而普遍地受到重视，并在这个领域发挥了重要的作用。与一般的行波螺旋天线完全不同，这种天线由4根长度均为mλ/4(m为一个整数，λ为波长)的螺旋臂组成，每根臂上的电流幅度相等、相位两两相差90 °，它的末端(即非馈电的那一端)在m取偶数时必须短路，在m取奇数时必须开路。作为一种谐振式天线，工作频带窄是其固有的缺点。为了解决这个问题，尽管人们想出了许多方法，但一直未能取得令人满意的效果。而我们设计成功的八臂螺旋天线，在实现宽频带(甚至双频)工作的同时，其他一些性能指标均得到了较大的提高，因而具有广阔的应用前景。本文首先对这种新型螺旋天线的工作原理作一个简单的介绍，然后阐述设计过程中的一些关键技术，最后还给出实测数据来说明该天线的各项性能指标。

2工作原理

2.1宽频带工作原理

尽管采用较粗螺旋臂可使四臂螺旋天线输入阻抗的虚部随频率的变化变得较慢，从而能在一定范围内改善频带特性，但这种改进受到很大的限制，且增加了天线的重量和加工难度。为了能真正实现宽带工作，我们以这种天线为基础设计出了八臂螺旋天线，如图1所示。这种新型天线由两副形状相同、共轴放置但臂长不同的四臂螺旋天线组成，我们只对其中的一副螺旋天线馈电，另一副天线上的电流则通过电磁耦合得到。理论分析和实际测试都表明，八臂螺旋天线的输入阻抗呈双频工作特性，其中一个谐振频率跟原来的四臂螺旋基本相同，而另一个谐振频率则取决于寄生臂的长度及其与馈电臂之间的距离。选择好各种参数，使两个谐振频率适当地靠近，天线的输入端就会在比原四臂螺旋宽得多的频带范围内有良好的驻波比特性，并且在此宽带范围内，天线的辐射方向图始终保持宽波束圆极化性能。

图1八臂螺旋天线示意图

2.2圆极化工作原理

对于一个八臂螺旋天线，就其工作特性而言，由于一根馈电臂与跟它相邻的那根寄生螺旋臂可等效成一根很粗的螺旋臂，因而它的圆极化原理与四臂螺旋天线完全相同。不失一般性，我们假设螺旋臂的长度为λ/2，旋转角为180°。这种天线工作在谐振状态，臂上的电流幅度接近正弦分布，其中最大值位于馈电点和短路点，零点位于螺旋臂的中部。当只考虑远区的辐射方向图时，相对的一组螺旋臂就可以等效成的矩形环和圆形环两个天线的组合，而圆环天线又可用一个电偶极子来代替，如图2中的(a)和(b)所示。此时在远区得到的是零点与天线轴垂直的一个螺旋管形的圆极化方向图。显然，与它们在空间上垂直而相位差90°的另一组螺旋臂也辐射同样的方向图，它们迭加的最终结果是产生一个宽波束的心脏形圆极化方向图。

图2八臂螺旋天线的等效图

3设计过程中的关键技术

3.1馈电方式的选择

采用何种馈电方式。直接影响到天线的工作频带和方向图的圆极化性能。由于这种螺旋天线要求四条馈电臂上的电流幅度相等、相位两两相差90°，因此较为常用的方法是将四根长为λ/4、电流分布符合要求的同轴电缆直接跟螺旋臂相连，但这是一种非平衡馈电方式，不仅达不到宽频带的要求，而且实现起来非常困难。我们采用的无限巴伦结构很好地解决了这个难题，具体做法是：用作为馈线的同轴电缆穿过一条螺旋臂后，在顶点(馈电点)将其外导体和内导体分别连在这条臂和对面的那条臂上，利用同轴电缆的内导体外壁与外导体内壁上的电流大小相等、方向相反的特点，对对面两根臂完成等幅反相馈电。当然，要实现圆极化，还需用一个功分器为两根馈线提供幅度相等、相位正交的两路信号，同时功分器还应起到阻抗匹配的作用。

图3八臂螺旋天线的驻波比曲线和阻抗曲线

3.2展宽波束的途径

尽管减小螺旋的直径与高度之比能使波束变宽，但它对θ面和Φ面方向图的影响不同，因而轴比小于3dB的波束仍然不宽，并且还会出现主瓣分裂现象。为了达到展宽波束的目的，我们在天线的下面附加一块长和宽均为1.25λ左右的金属反射板，这使得天线的最大辐射方向发生偏移，而在轴线方向出现一个凹坑。调节金属板与螺旋中心的距离h，凹坑的深度和方向图的半功率宽度均随着改变。当h=λ/4时，波束达到最宽，其值大大超过了没有

金属板时的情况，并且轴比亦得到改善。

3.3结构

为了保证天线的电气性能指标和可靠性，我们采用了不同于四臂螺旋天线的结构。在天线的顶部有一个塑料圆盘，它起到固定螺旋臂和减小两根垂直馈电电缆相互耦合的作用：天线的底部有一个金属安装盒，以便把八根螺杆焊接在一起。塑料圆盘、金属安装盒和底面反射板则通过一根高强度的不锈钢圆杆固定在一起。

4实验结果

我们按照上面的思路设计了一个八臂螺旋天线，具体参数如下：

螺旋臂长度：λc/2

螺旋高：0.27λ c

螺旋臂直径：0.006λc

螺旋臂旋转度数：180°

螺旋中心距底板距离：λc/4

最后的实测结果如图3、图4所示。图3(a)中的曲线1和2分别为通过HP 8510矢量网络分析仪测得的四臂螺旋天线和八臂螺旋天线的驻波比曲线，而图3(b)为在相同仪器上测得的史密斯阻抗圆图，可见八臂螺旋能明显地展宽天线的频带。此外，我们根据要求将天线的频带设计成14%，而事实上可以做得更宽些。图4(a)和(b)分别为工作频率取0.93fc和1.07f c(即图3 (a)中的标记2和3)时的远区辐射方向图，它们的半功率宽度分别达到140°以及145°左右，这么宽的波束是其它形式的天线很难达到的。

图4八臂螺旋天线的实测功率方向图

5结束语

八臂螺旋天线除了工作频带宽、在很宽的波束范围内圆极化性能好之外，还具有以下优点：

(1)天线的损耗小；

(2)方向图的旋转对称性好；

(3)天线之间的互耦小；

(4)适当选择参数，较易获得双频工作特性。

上述特点使得这种天线既能单独应用，又非常适合于作为天线阵的辐射单元。

本新型GPS螺旋天线，能够有效地解决卫星移动通信天线的宽角扫描问题，从而对真正实现“动中通”具有十分重要的意义。

注：本文所述螺旋天线已经获得了国家专利，专利号为ZL95240143.6。

作者单位：林敏（总参63研究所南京210016）

杨水根（总参63研究所南京210016）