一種新型雙臂螺旋天線的研究與設計

王曉嵐 龐 峰

摘 要:隨著衛(wèi)星導航通信技術的迅速發(fā)展,天線作為衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)中的重要部分,在一定程度上決定著衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)的性能。介紹一種用于衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)的雙臂螺旋天線,講述爬行波式螺旋天線的設計過程,并給出最終測試結(jié)果。結(jié)果表明,該天線具有優(yōu)良的圓對稱半球波束,良好的廣角圓極化特性和優(yōu)良的阻抗匹配特性,其結(jié)構簡單、緊湊,為通信入站回傳提供了一種優(yōu)良的選擇。

關鍵詞:裂縫式對稱轉(zhuǎn)換器;雙臂螺旋天線;電磁仿真;衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)

中圖分類號:TN82 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-050-02

Study and Design of New Type Bifilar Helix Antenna

WANG Xiaolan,PANG Feng

(National Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100012,China)

Abstract:With the development of satellite navigation communication,antenna is a very important unit,performance of the satellite navigation communication system is affected by it partly.A new type of bifilar helix for satellite navigation communication system is introduced,and the traving-wave bifilar helix is analyzed briefly.Meanwhile,the design and the test results are given.The results show that the antenna possesses excellent circular hemispherical beam with wide angle circular polarization and better impedance match,and has a compact structure and high integration.it can be applied in CAPS systems successful.

Keywords:crack-symmetrical converter;bifilar helix;electromagnetism simulation;satellite navigation communication system

隨著衛(wèi)星無線電導航業(yè)務的迅猛發(fā)展,越來越多的國家開始發(fā)展自己的導航通信系統(tǒng)。由于各種導航通信系統(tǒng)的衛(wèi)星在空間的分布有限,因此在低信息速率、小容量的衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)中,要求所用終端的天線具有體積小,損耗低,極化為圓極化,俯仰面要寬和方向圖為全向方位面。雖然單臂螺旋天線和四臂螺旋天線經(jīng)常被采用,然而單臂螺旋天線增益比雙臂螺旋天線低2 dB,四臂螺旋天線要求各線的饋電相位分別為0°,90°,180°,270°,這就勢必要求比較復雜的饋電網(wǎng)絡,而雙臂螺旋天線正好彌補了它們的缺點。通過調(diào)節(jié)螺旋的物理參數(shù),能夠得到主瓣指向衛(wèi)星的賦形波束,所以在衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)中雙臂螺旋天線成了一種適宜的選擇。

根據(jù)衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)要求,終端所用天線設計需要滿足以下幾點:天線覆蓋范圍為方位0°～360°,天頂角為20°～58°,波瓣中心增益為5.5 dBi,波瓣中心點±19°處的增益為2.5 dBi。除此之外,發(fā)射右旋圓極化波的軸比小于3 dB,要求在不到1%的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1.5。由于特殊的用途要求,終端所用天線不同于傳統(tǒng)的法向和軸向螺旋天線。

1 天線模型的設計

采用的雙臂螺旋天線,使用平行雙線纏繞柱狀介質(zhì)棒而成,平行雙線是一種開放式的傳輸線,其電場向外部延伸。當平行雙線扭曲變形時就會引起輻射,其饋電點相位差180°。由于采用同軸線給雙線饋電,匹配變得至關重要,也成為本天線設計的一個難點,在非對稱的同軸線與對稱螺旋線之間需要用到對稱轉(zhuǎn)換器(本文采用裂縫式對稱轉(zhuǎn)換器),其結(jié)構示意圖如圖1所示。

圖1 裂縫式對稱轉(zhuǎn)換器

在柱坐標中,螺旋線位于半徑為r0的支撐桿表面上,螺旋線可以定義為:

x=r0cos φ

y=r0sin φ

z=rφ2π(1)

它在φ和z向具有周期性,模型如圖2所示。

2 天線分析以及性能的研究

雙臂螺旋天線的雙臂上電流近似為:

iφ(φ,α)=iφ(α)cos(φ-α)(2)

式中:iφ(α)=i0cos(kr0)cosα2Ncos β

圖2 天線模型坐標

令α為積分變量,則電場公式為:

E│誋=-jwμr0e-jkr4πrcos β∫2Nπ│=0iφ(φ,α)ejkr′cos Ψdα(3)

其中一臂相位項為:

cos Ψ=﹔′?rr=r0cos αsin θcos φ+

r0sin αsin θsin φ+(2π/Pα)cos θ(4)

令K=wμI0r0cos(kr0)e-jkr4πr,那么可知兩臂輻射電場的φ分量為:

臂1:

E│誋elix1=-jK∫2Nπ│=0cos(α2N)cos(φ-α)?

exp[jk(r0cos αsin θcos φ+

r0sin αsin θsin φ+Pα2πcos θ)]dα(5)

臂2:

E│誋elix2=-jK∫2Nπ│=0cos(α2N)cos(φ-α)?

exp[jk(-r0cos αsin θcos φ-

r0sin αsin θsin φ+Pα2πcos θ)]dα(6)

上述公式中參量的意義如圖2所示,雙臂輻射的電場在空間進行矢量疊加就形成了最終的方向圖。

雙臂螺旋天線模型仿真結(jié)果如圖3所示。在設計中,為了盡可能使電流在螺旋線末端近乎為零,使所有能量輻射出去,同時折衷結(jié)構的尺寸要求,需優(yōu)化出雙臂螺旋天線基本尺寸,如螺旋線半徑、介質(zhì)桿半徑、螺旋半徑、螺距和螺旋圈數(shù)以及平衡器開槽深度0.25λ。計算結(jié)果表明,當圈數(shù)適當時這種雙臂螺旋天線的尾瓣很小,具有寬的方向圖,波束寬度能夠達到110°以上,在波束寬度內(nèi)軸比小于3 dB,方位面為全向輻射,而且增益能夠達到6.1 dB,具有良好的匹配性能。

3 天線測試結(jié)果

根據(jù)理論優(yōu)化設計結(jié)果,加工出雙臂螺旋天線,經(jīng)過測試可得出,當駐波小于等于1.4時,帶寬達到10%以上;當3 dB波瓣寬度大于等于120時,軸比小于等于3 dB,增益可達到5.6 dB。通過測試表明,雙臂螺旋天線能夠滿足衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)的要求,并且該天線已經(jīng)成功地實現(xiàn)了衛(wèi)星導航通信試驗。

圖3 雙臂螺旋天線仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

設計了一種用于衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)的雙臂螺旋天線,根據(jù)該系統(tǒng)的電氣和結(jié)構要求優(yōu)化設計出天線實物,通過對實物進行測試和在試驗中的成功應用,表明新型雙臂螺旋天線能夠很好地滿足衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)通信入站回傳的要求,對于衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)天線的設計與研究具有很高的參考價值。

參考文獻

[1]Krous.Antennas[M].McGraw-Hill,1950.

[2]Ye Yun Shang,Li Quan Ming.A New Type of X-band Data Transmission Antenna Used on CBERS-1 Satellite,Antennas,Propagation and EM Theory.6th International Symposium.2003,28(1):1-6.

[3]Kilgus C C.Resonant Quadrafilar Helix.IEEE Trans.on Antennas Propag.,1969,AP-17:349-351.

[4]Mittra R.Wave Propagation on Helices.IEEE Trans.on Ant.and Propag.,1963,AP-11(5):385-386.

[5]Klock.A Study of Wave Propagation on Helices,Illinois Antenna Lab..Technical Report,1963.

[6]雷文強,楊中海,廖莉,等.螺旋慢波電路高頻特性的三維計算模擬[J].強激光與粒子束,2002,14(6):892-895.

[7]Kory C L,Dayton J A.Effect of Helical Slow-wave Circuits[J].IEEE Trans.on Electron Devices,1998,45(4):972-976.

[8]Sensiper.Electromagnetic Wave Propagation on Helical Structures(A Review and Survey of Recent Progress)[J].Proc.IRE,1955,43(2):149-161.

[9]Kilgus,Dr.Charles C.Spacecraft and Ground Station Applications of the Resonant Quadrifilar Helix.Digest of the 1974 Int.IEEE/Ap-5 Symposium.1974:75-77.

作者簡介

王曉嵐 女,1981年出生,新疆塔城人,助理研究員,碩士研究生。研究方向為衛(wèi)星通信與導航。

龐 峰 男,1976年出生,山東泰安人,助理研究員,碩士研究生。研究方向為衛(wèi)星導航與通信。