帶異形反射腔和寄生螺旋的均勻升角軸向模螺旋天線

摘要：為了改善軸向模螺旋天線的輻射特性，在帶有寄生螺旋的均勻升角軸向模螺旋天線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶有曲反射面背腔的螺旋天線，并用HFSS軟件對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行了仿真分析。通過對(duì)比幾種不同形式的螺旋天線的仿真結(jié)果，證明了該種螺旋天線可以有效地提高軸向模螺旋天線增益系數(shù)，圓極化一致性良好，是一種提高軸向模螺旋天線性能的有效方法。

關(guān)鍵詞：軸向模；螺旋天線；寄生螺旋；反射腔

中圖分類號(hào)：TN8234文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004373X(2012)06015002

Symmetrical pitch angle axial mode helical antennas with especial

reflection cavity and parasitic helix

WEN Jian， ZHANG Ge

(Beijing Aeronautical Technology Research Center， Beijing 100076， China)

Abstract： A helical antenna with a cuiving reflection cavity was designed based on symmetrical pitch angle axial mode helical antenna with a parasitic helix to improve radiation performance of axial mode helical antennas. Its radiation properties was simulated with the software HFSS. The contrast result come from the simulation of several helical antennas shows that the helical antenna can effectively improve the power gain coefficient of axial mode helical antenna. Its circular polarizable consistency is good. The method is simple and efficient for improving radiation performance of axial mode helical antennas.

Keywords： axial mode; helical antenna; parasitic helix; reflection cavity

收稿日期：201110260引言

螺旋天線作為行波天線的一種，目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信等軍民領(lǐng)域。文獻(xiàn)［1］驗(yàn)證了從表面波部分加繞寄生螺旋可以提高螺旋天線的增益，且比雙臂雙繞螺旋天線饋電形式簡單。文獻(xiàn)［2］采用加繞寄生螺旋線的方法改善橢圓極化螺旋天線的圓極化帶寬。文獻(xiàn)［3］研究了帶有寄生螺旋線的變升角軸向模螺旋天線是一種有效提高天線方向性系數(shù)的方法，且在較寬的頻帶范圍內(nèi)具有較好的圓極化特性。文獻(xiàn)［4］仿真計(jì)算了反射板的尺寸和形狀以及饋電方式等幾個(gè)變量與螺旋天線方向性系數(shù)的關(guān)系。本文在帶有寄生螺旋的均勻升角軸向模螺旋天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種曲反射表面的凹形反射腔，通過仿真分析，與參考文獻(xiàn)中提出的幾種不同形式的螺旋天線進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了此種反射背腔可以有效提高軸向模螺旋天線的增益。

1軸向模螺旋天線

軸向模螺旋天線又稱端射螺旋天線，因?yàn)閼?yīng)用比較廣泛，通常簡稱為螺旋天線。軸向模螺旋天線最大輻射方向沿著螺旋軸線，輻射場是圓極化或接近圓極化，輸入阻抗近似為純阻，有較寬的頻帶。通常采用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線一端相接，外導(dǎo)體與金屬接地板相接。d為螺旋直徑，S為螺距，α為螺距角，L為一圈的平均周長，N為圈數(shù)，l為天線軸長，a為螺旋導(dǎo)線半徑［5］。工程上考慮副瓣的影響和波瓣圖形狀的細(xì)節(jié)，天線的方向性系數(shù)可近似表示為：D=12Lλ2·NSλ軸向模螺旋天線的軸比可表示為：AR=2N+12N2設(shè)計(jì)與仿真

2.1天線電尺寸設(shè)計(jì)

本文分析的軸向模螺旋天線中心工作頻率為2 GHz，螺旋直徑d=48 mm，螺距S=36 mm，圈數(shù)N=8，天線軸長288 mm，螺旋導(dǎo)線半徑a=0.75 mm，選用50 Ω同軸線饋電，螺旋的起始0.25λ升角為4°，仿真分析的第一種螺旋為均勻升角的螺旋天線，接地板為直徑135 mm的圓形平板，厚度為1 mm，如圖1所示。

仿真分析的第二種螺旋為帶有寄生螺旋的均勻升角的螺旋天線，寄生螺旋的接入位置為第3圈螺旋的起始端，接地板為直徑135 mm的圓形平板，厚度為1 mm，如圖2所示。

圖1均勻升角的螺旋天線圖2帶有寄生螺旋的均勻升角的螺旋天線

第三種螺旋為把第二種螺旋的圓形接地板改為賦形接地板，賦形的尺寸如圖3所示。

圖3賦形接地板第四種螺旋為把第三種螺旋的賦形接地板改為曲反射面的凹形反射板，凹形反射板的曲面起點(diǎn)和終點(diǎn)與賦形反射板一致，曲面在xy面的投影方程為：z=0.010 148y2－16.236 82.2仿真結(jié)果及分析

在HFSS環(huán)境下對(duì)四種不同形式的螺旋天線進(jìn)行了仿真，天線駐波比的結(jié)果見表1。

表1駐波比仿真結(jié)果

頻率 /GHz均勻寄生賦形異型1.51.961.932.011.9821.761.781.781.772.51.691.892.102.05

天線駐波比的仿真結(jié)果表明，在中心頻率2 GHz處，均勻升角、加繞寄生、賦形反射板和異型反射板四種形式的螺旋天線駐波系數(shù)基本無變化，說明在均勻升角螺旋天線基礎(chǔ)上進(jìn)行的加繞寄生及反射腔改型對(duì)螺旋天線在中心頻率上的匹配無影響，天線的輻射效率是一致的。仿真得到的均勻升角螺旋天線在2 GHz時(shí)的3D增益方向圖如圖4所示，四種天線增益系數(shù)對(duì)比參見圖5所示。

由圖5可見，加繞寄生螺旋線后，均勻升角軸向模螺旋天線的增益提高了0.13 dB，改變傳統(tǒng)的圓形平面反射板為賦形反射板后，軸向模螺旋天線的增益又提高了0.94 dB，將賦形反射板變化為曲面反射板后，天線增益又提高了0.15 dB。因此，曲面反射板對(duì)于軸向模螺旋天線的增益有明顯改善，相對(duì)的，帶曲面反射板的螺旋天線的增益帶寬變窄。

圖4均勻升角螺旋2 GHz增益方向圖圖5增益系數(shù)四種軸向模螺旋天線的軸比變化參見圖6所示。由圖6可見，無論是加繞寄生還是改變反射板的形狀，在天線的工作帶寬內(nèi)，螺旋天線的軸比都較均勻升角螺旋天線有所增加。均勻升角的螺旋天線在工作范圍內(nèi)軸比起伏較大，只在中心頻率處軸比率較小，改善反射板的形狀后，賦形和異型接地板在帶內(nèi)軸比起伏不大，具有一定的穩(wěn)定性。具體應(yīng)用可根據(jù)工程需要進(jìn)行選擇。

圖6軸比變化將仿真得到的四種螺旋天線在2 GHz時(shí)的E面增益方向圖數(shù)據(jù)置于同一坐標(biāo)系下，如圖7所示。由圖可見，改善接地板形式后，螺旋天線的增益提高，主瓣波瓣寬度變寬，副瓣電平降低，零深電平降低，整個(gè)天線的性能發(fā)生了質(zhì)的改變。