一种新型双臂螺旋天线的研究与设计

摘 要:随着卫星导航通信技术的迅速发展,天线作为卫星导航通信系统中的重要部分,在一定程度上决定着卫星导航通信系统的性能。介绍一种用于卫星导航通信系统的双臂螺旋天线,讲述爬行波式螺旋天线的设计过程,并给出最终测试结果。结果表明,该天线具有优良的圆对称半球波束,良好的广角圆极化特性和优良的阻抗匹配特性,其结构简单、紧凑,为通信入站回传提供了一种优良的选择。

关键词:裂缝式对称转换器;双臂螺旋天线;电磁仿真;卫星导航通信系统

中图分类号:TN82 文献标识码:A

文章编号: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

随着卫星无线电导航业务的迅猛发展,越来越多的国家开始发展自己的导航通信系统。由于各种导航通信系统的卫星在空间的分布有限,因此在低信息速率、小容量的卫星导航通信系统中,要求所用终端的天线具有体积小,损耗低,极化为圆极化,俯仰面要宽和方向图为全向方位面。虽然单臂螺旋天线和四臂螺旋天线经常被采用,然而单臂螺旋天线增益比双臂螺旋天线低2 dB,四臂螺旋天线要求各线的馈电相位分别为0°,90°,180°,270°,这就势必要求比较复杂的馈电网络,而双臂螺旋天线正好弥补了它们的缺点。通过调节螺旋的物理参数,能够得到主瓣指向卫星的赋形波束,所以在卫星导航通信系统中双臂螺旋天线成了一种适宜的选择。

根据卫星导航通信系统要求,终端所用天线设计需要满足以下几点:天线覆盖范围为方位0°～360°,天顶角为20°～58°,波瓣中心增益为5.5 dBi,波瓣中心点±19°处的增益为2.5 dBi。除此之外,发射右旋圆极化波的轴比小于3 dB,要求在不到1%的频带内电压驻波比小于1.5。由于特殊的用途要求,终端所用天线不同于传统的法向和轴向螺旋天线\。

1 天线模型的设计

采用的双臂螺旋天线\,使用平行双线缠绕柱状介质棒而成,平行双线是一种开放式的传输线,其电场向外部延伸。当平行双线扭曲变形时就会引起辐射,其馈电点相位差180°。由于采用同轴线给双线馈电,匹配变得至关重要,也成为本天线设计的一个难点,在非对称的同轴线与对称螺旋线之间需要用到对称转换器(本文采用裂缝式对称转换器),其结构示意图如图1所示。

图1 裂缝式对称转换器

在柱坐标中,螺旋线位于半径为r0的支撑杆表面上,螺旋线可以定义为\:

x=r0cos φ

y=r0sin φ

z=rφ2π(1)

它在φ和z向具有周期性,模型如图2所示。

2 天线分析以及性能的研究

双臂螺旋天线的双臂上电流近似为\:

iφ(φ,α)=iφ(α)cos(φ-α)(2)

式中:iφ(α)=i0cos(kr0)cosα2Ncos β

图2 天线模型坐标

令α为积分变量,则电场公式为:

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

其中一臂相位项为:

cos Ψ=r′•rr=r0cos αsin θcos φ+

r0sin αsin θsin φ+(2π/Pα)cos θ(4)

令K=wμI0r0cos(kr0)e-jkr4πr,那么可知两臂辐射电场的φ分量为:

臂1:

E│Helix1=-jK∫2Nπ│=0cos(α2N)cos(φ-α)•

exp[jk(r0cos αsin θcos φ+

r0sin αsin θsin φ+Pα2πcos θ)]dα(5)

臂2:

E│Helix2=-jK∫2Nπ│=0cos(α2N)cos(φ-α)•

exp[jk(-r0cos αsin θcos φ-

r0sin αsin θsin φ+Pα2πcos θ)]dα(6)

上述公式中参量的意义如图2所示,双臂辐射的电场在空间进行矢量叠加就形成了最终的方向图。

双臂螺旋天线模型仿真结果如图3所示。在设计中,为了尽可能使电流在螺旋线末端近乎为零,使所有能量辐射出去,同时折衷结构的尺寸要求\,需优化出双臂螺旋天线基本尺寸,如螺旋线半径、介质杆半径、螺旋半径、螺距和螺旋圈数以及平衡器开槽深度0.25λ。计算结果表明,当圈数适当时这种双臂螺旋天线的尾瓣很小,具有宽的方向图,波束宽度能够达到110°以上,在波束宽度内轴比小于3 dB,方位面为全向辐射,而且增益能够达到6.1 dB,具有良好的匹配性能。

3 天线测试结果

根据理论优化设计结果,加工出双臂螺旋天线,经过测试可得出,当驻波小于等于1.4时,带宽达到10%以上;当3 dB波瓣宽度大于等于120时,轴比小于等于3 dB,增益可达到5.6 dB。通过测试表明,双臂螺旋天线能够满足卫星导航通信系统的要求,并且该天线已经成功地实现了卫星导航通信试验。

图3 双臂螺旋天线仿真结果

4 结 语

设计了一种用于卫星导航通信系统的双臂螺旋天线,根据该系统的电气和结构要求优化设计出天线实物,通过对实物进行测试和在试验中的成功应用,表明新型双臂螺旋天线能够很好地满足卫星导航通信系统通信入站回传的要求,对于卫星导航通信系统天线的设计与研究具有很高的参考价值。

参考文献

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作者简介

王晓岚 女,1981年出生,新疆塔城人,助理研究员,硕士研究生。研究方向为卫星通信与导航。

庞 峰 男,1976年出生,山东泰安人,助理研究员,硕士研究生。研究方向为卫星导航与通信。