星载天线的小型化创作

1引言

卫星通信、无线通信技术的迅速发展和应用，推动着星载设备向小型化、多用途的方向发展。天线往往是制约无线通信系统小型化发展的主要障碍。设计适合星载条件的小型、宽带、高效、多功能的天线已成为当今航天器天线研究领域中一个棘手课题。平面螺旋天线由于其结构具有自相似特性，能在很宽的频带内辐射圆极化波，在空间特种通信领域已得到了应用。平面螺旋天线为法向双向辐射，但在实际应用中，要求天线具有单向辐射特性。通常的做法是在螺旋天线的一侧加反射腔，然后填充吸波材料，这样虽能保持平面螺旋天线的宽频带特性，但是约有一半的能量没有辐射，大大降低了辐射效率；或者采用λ／4的金属反射腔，可提高天线的效率，但是天线的带宽、体积等又受到限制。

本文对螺旋曲线进行了多种加载方式设计，螺旋的起始传输段用蝶形迅速过渡到工作频率，从而减小了传输段的长度，降低了传输损耗；螺旋的有效辐射段采用阿基米德螺旋方程，保持平面螺旋天线较好的圆极化辐射特性；螺旋的外圈采用曲线锯齿加载，改善低频段的辐射效果。同时对腔体的高度进行优化设计，达到了小型化的效果，并实现了在5∶1带宽范围内有较好的辐射性能。

2背腔螺旋天线的设计

2．1传输段螺旋曲线的加载根据阿基米德螺旋天线曲线上的电流分布规律，螺旋曲线的起始段主要起传输作用。螺旋线的内径，对天线的阻抗匹配和上限工作频率有较大影响［1－3］。一般要求2r0＜λmin／4（1）式中：r0为螺旋起始点半径；λmin为上限工作频率对应的波长。但当天线设计时取的2r0过小，螺旋圈数又比较多，则无疑会加大过渡区的传输损耗［2］。采用变参的螺旋天线设计方式，使用等角螺旋过渡，可减小过渡区的传输损耗（图1a）。本文采用了一种新型的蝶形天线过渡方式（图1b）来实现减小过渡区的传输损耗，比传统等角螺旋过渡的路径更短，更有效，且更易于卫星化实现。蝶形天线和等角螺旋天线都是宽带天线，传输段采取宽带天线的加载方式后，即可以实现宽频带的阻抗匹配，又减小了传输损耗，从而改善了天线的辐射特性。

2．2辐射段螺旋曲线的设计

当螺旋曲线周长近似一个波长时，天线两臂上相邻点的电流相位差近似为2π，也就是说此时天线两臂上相邻点的电流基本上是同相位的，这样的电流在螺旋平面的法线方向形成最强的辐射，即周长近似一个波长的螺旋区域形成了天线的有效辐射区。辐射区域的圈数可以适当取多一些，增加辐射能带，有利于改善天线轴比，减小终端效应。平面阿基米德螺线曲线方程为［4］r＝r0＋a（－0）（2）式中：r为曲线上任一点到极坐标原点的距离；为方位角；0为起始角；a为常数，即螺旋增长率。

2．3螺旋线的锯齿加载

根据形成有效辐射的条件，螺旋线的外径取决于下限工作频率，一般取平面螺旋天线的周长C＞1．25λmax，λmax为下限工作频率对应的波长。然而在实际应用中，天线口径受到航天器狭小的安装空间的限制，螺旋的外径往往不可能取到理想的尺寸。本文通过对螺旋曲线的进行曲线锯齿加载的方式，增加了螺旋有效长度，改善了低频段的辐射效果，也减小了天线口径［5－6］。加载后的方程为r＝r0＋a（－0）＋f（）（3）f（）是一个与有关的函数，本文为锯齿函数。图2显示了螺旋锯齿加载的形式［7－9］。

3天线样机

根据以上设计思路加工了一种覆盖400～2000MHz频段的天线样机，如图3所示。该背腔式平面螺旋天线半径为0．165λmax，天线高度取0．08λmax，尺寸上分别比传统的背腔平面螺旋天线至少减少了17％和25％。采用开口式切比雪夫同轴线渐变线进行馈电。螺旋曲线起始段采用蝶形加载方式，最外5圈采用锯齿加载方式。通过匹配调试和尺寸优化，无论是天线直径，还是天线高度，都比常规背腔螺旋的尺寸小，从而达到了小型化的目的。

4测试结果

该天线所有性能指标均在电波暗室进行测试，本文给出部分实测结果。电压驻波比实测结果见图4。天线在频率5∶1的带宽范围内能实现良好匹配。其中400～500MHz范围内电压驻波比基本小于2．0，500～2000MHz范围内电压驻波比基本小于1．5。对天线增益的实测结果见图5。在600～2000MHz范围内，其平均增益大于5dB，在最低频点增益最低，为－5dB，主要原因是受到天线口径限制。由于螺旋天线具有轴向的旋转对称性，故只测试了某一切面的圆极化方向图。各频点实测方向图见图6所示，在全频段实现了较好的定向辐射特性。轴向轴比测试结果图7所示。低端轴比略差，500MHz以上频段轴比优于2dB。

5结束语

本文论述了在平面螺旋天线的基础上，通过一定的方法在螺旋天线的某一段进行加载，不仅可以使天线的尺寸明显小于同频带的传统平面螺旋天线，而且还使得天线的各辐射参数，包括方向图、增益、轴比、驻波比得到改善。但是，由于螺旋天线的加载形式是多种多样的，每一种变化都可能带来不同的效果。如何加载能够在频带、尺寸以及方向图特性上达到最佳，还有待于进一步的研究。