寬帶寬角四臂螺旋天線

 引言

寬波束圓極化天線作為衛(wèi)星天線和非跟蹤性地面天線得到廣泛的應(yīng)用，C.C.Kilgus在1968年提出的諧振式四臂螺旋天線最大的特點是能通過選擇適當(dāng)?shù)奈锢沓叽缫孕纬刹煌妮椛浞较驁D來滿足不同應(yīng)用的需求，同時多臂螺旋的對稱性結(jié)構(gòu)又使天線具有穩(wěn)定的相位，應(yīng)用在監(jiān)測定位中可以極大提高系統(tǒng)測量和定位精度，但是由于四臂螺旋天線饋電系統(tǒng)的復(fù)雜性，限制了它的使用。本文采用了一種全新的四端口寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，由于其能產(chǎn)生900自相移的平衡饋電結(jié)構(gòu)，極大的展寬了四臂螺旋天線的帶寬，加上我們特殊設(shè)計的四臂螺旋結(jié)構(gòu)，還使得天線具有寬角寬軸比的特性。

2 平衡饋電網(wǎng)絡(luò)

為了產(chǎn)生相移，形成圓極化輻射，以往經(jīng)常采用下列兩種形式：(1)通過饋電網(wǎng)絡(luò)，一般采用3dB電橋;(2)采用一種無限巴倫結(jié)構(gòu)〔2〕，如圖1所示。前者饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用三個電橋級聯(lián)，對級間匹配要求過高，不易于設(shè)計和工程使用;后者結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是卻降低了天線的性能，使得天線帶寬窄，軸比差。

為了簡化設(shè)計，提高天線性能，我們設(shè)計了一種寬帶的平衡饋電結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中port0為天線的外部輸入口，port1～port4分別為四個螺旋臂提供等幅、相差依次為900的平衡饋電。

圖1 無限巴倫饋電結(jié)構(gòu)

圖2 平衡饋電結(jié)構(gòu)

圖3 天線仿真模型 這種饋電網(wǎng)絡(luò)將port0輸入的能量在經(jīng)過第一級功分器時按1：3分配，然后在經(jīng)過第2級時按1：2分配，在第三級分配時為1：1等功分，這樣從port1～port4這四個端口得到等功率分配的饋電。其在駐波比小于1.2以內(nèi)的帶寬大于20%，而幅度和相位的變化卻很小，性能參數(shù)如圖3～圖5。在f=2.0GHz～2.4GHz范圍內(nèi)，各端口能量平均分配，幅度變化范圍約為±0.5dB，而相對相位(

)變化約為±100。

圖3 s11 曲線

圖5 各端口幅度變化曲線

從上述圖形可以看出，4個輸出端口的幅度均控制在-5.5～-6.5dB，而各端口s02、s03、s04相對s01的相位差依次約為-90°、-180°和-270°，在目前的各種圓極化饋電網(wǎng)絡(luò)中，這種等幅、相差依次為900的饋電方式由于其強(qiáng)制饋電的結(jié)構(gòu)特點，最能夠提高天線的圓極化軸比性能，在能夠簡化其結(jié)構(gòu)設(shè)計的情況下，成為寬帶圓極化天線的最佳選擇。 天線設(shè)計和性能指標(biāo)

四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)如圖3，它由四根螺旋臂組成，每根螺旋臂分別截取四分之一周長，實則介于螺旋和單極子天線之間，為兩者的綜合變形。D為螺旋天線的直徑，S為螺距，螺旋線起點到接地板之間的距離為g。

圖7 天線駐波曲線

經(jīng)過調(diào)整得到D=45mm，S=130mm，d=4mm,g=3mm(分別改變參數(shù)D和S的值，可以得到不同的波束形狀，d可以調(diào)整天線駐波)。圖7為天線的駐波曲線，在2.0～2.4GHz內(nèi)駐波小于2.0。圖8則為天線增益(交叉極化)方向圖曲線。

對于螺旋來說，各參數(shù)需要滿足

，適當(dāng)?shù)母淖僁和S的值，可以得到不同的方向圖賦形，圖8分別給出了三組參數(shù)的方向圖，可以看出隨著D的增加，S的減小，天線波束變窄，反之則變寬。

圖8 增益方向圖

從圖中還可以天線參數(shù)對軸比(交叉極化)的影響不大，不同情況下天線交叉極化均大于10dB，即軸比均小于6dB。從天線模型上可以看出，饋電網(wǎng)絡(luò)提供的是右旋圓極化的饋電方式，而螺旋的繞制方向卻為左旋，我們采用這樣相反的形式，適當(dāng)調(diào)整天線尺寸，正好可以使低剖面方向場強(qiáng)疊加，得到了寬角寬波束的方向圖。如圖8所示，天線波束在±80°時，不僅有較高的增益，而且依然保持了良交叉極化特性。

4 結(jié)論

本文給出了一種寬帶、900自相移結(jié)構(gòu)的平衡饋電網(wǎng)絡(luò)，它不僅能為四臂螺旋天線提供最優(yōu)的匹配，還能夠廣泛的使用在其他圓極化天線中。同時采用反向的螺旋繞制方式，得到了寬角寬波束的增益方向性圖，這是一種全新的天線，它不僅成本低、結(jié)構(gòu)簡單，而且天線方向圖特殊，具有很高的工程實用性。