軸向模螺旋天線方向性系數分析

王志偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

螺旋天線是用金屬線繞制成螺旋結構的行波天線,當螺旋直徑大約為一個波長時,它的輻射方向為軸向,且為圓極化波,旋向與螺旋繞向一致。因為螺旋天線結構簡單,帶寬較寬,因此在各個領域得到了廣泛的應用。

螺旋天線的方向性系數除了與螺旋直徑、螺距和圈數等相關外,還與反射板直徑、反射板形狀、單繞雙繞或寄生等饋電方式有關。資料中螺旋天線的方向性系數與螺旋直徑、螺距和圈數的關系介紹較多,卻很少提及方向性系數與反射板直徑、反射板形狀、單繞雙繞或寄生等饋電方式的關系。通過仿真與實物測試的方法給出了螺旋天線方向性系數與反射板直徑、反射板形狀、單繞雙繞或寄生等饋電方式的關系。

1 軸向模螺旋天線

螺旋天線通常是用同軸線饋電,同軸線內導體和螺旋線一端相接,外導體和金屬接地板相接,d為螺旋直徑,s為螺距,α為螺旋升角,L為一圈的周長,n為圈數,l為軸長,各幾何參數之間存在如下關系[1]:

軸向模螺旋天線的方向性函數可以用單圈的方向性函數乘以行波天線陣因子函數求得,工程上可以近似表示[1]為:

式中,P為相對傳播常數。

方向圖主瓣寬度為:

方向性系數計算式為:

考慮到副瓣的影響和波瓣圖形狀的細節,更符合實際的關系式為[2]:

如果已知螺旋天線的半功率波束寬度,則其方向性數還可以表示為[3]:

軸向模螺旋天線的軸比可近似計算為:

從軸比計算公式可以看出,軸向模螺旋天線的軸比只與螺旋圈數有關,且圈數越多,軸比越好。

軸向模螺旋天線在螺旋上傳輸的是行波,因此其輸入阻抗為純電阻,阻值與螺旋線的結構尺寸有關,可近似計算為:

2 設計與仿真

2.1 天線電氣設計

由于資料中介紹的軸向模螺旋天線的方向性系數沒有提及反射板及饋電方式,在HFSS中建模來研究反射板、饋電方式與方向性系數的關系。

螺旋天線的輻射特性與螺旋線的直徑有很大關系。當螺旋直徑d/λ＜0.18時,天線為法線輻射,即在垂直與螺旋線軸線的平面內輻射最大,方向圖為一個圓,而在包含螺旋軸線的平面內方向圖為一個∞字。當螺旋線的直徑大約為0.25～0.46λ時,天線沿螺旋線的軸線方向具有最大輻射,即軸向模螺旋天線。為了兼顧方向圖與軸比、駐波,取螺旋的直徑為中心頻率的 0.3個波長,即143 mm。其他各設計尺寸如下:螺距為 112 mm,螺旋升角為14°,圈數為8圈,反射板為平盤,直徑452 mm。天線仿真模型如圖1所示,天線輻射方向為Z軸正向,反射板放置在XY平面。采用50 Ω的同軸線饋電,為了與螺旋天線產生良好的匹配效果,螺旋線起始0.25λ升角為4°。

圖1 天線仿真模型

天線仿真方向圖如圖2所示。天線方向性系數為12.9 dB,副瓣為-11 dB,后瓣為-13 dB。

圖2 天線仿真方向圖

天線方向性系數、駐波、軸比仿真結果如表1所示。

表1 方向性系數仿真結果(D=1λ)

2.2 反射板尺寸及形狀

改變反射板直徑D的大小,其他尺寸不變,重新仿真計算天線的方向性系數、駐波及軸比。反射板直徑分別為中心頻率的0.8λ、1.0λ、1.2λ。從仿真結果可以看出方向性系數隨反射板直徑的變化而變化,而駐波、軸比基本無變化。方向性系數仿真結果如表2所示。

表2 方向性系數與反射板尺寸的關系

從仿真結果可以看出,反射板直徑在0.8～1.2λ之間變化時,天線方向性系數隨反射板直徑的增大而增大。繼續增大反射板直徑,天線方向性系數無明顯變化。

反射板直徑取λ,改變反射板的形狀,反射板四周上翹30°,形成如圖3所示的賦形盤。重新仿真計算天線的方向性系數、駐波及軸比,其中方向性系數隨反射板形狀的變化而變化,而駐波、軸比基本無變化。方向性系數仿真結果如表3所示。

圖3 賦形反射板尺寸

表3 方向性系數與反射板形狀的關系

從仿真結果可以看出,賦形反射板螺旋天線比同尺寸的平板反射板螺旋天線方向性系數略高。

2.3 饋電方式

所謂雙繞螺旋天線就是在同一個圓柱面上纏繞2根尺寸完全相同的螺旋線,螺旋線位置空間相差180°,饋電相位也相差180°,饋電幅度相同。所謂寄生螺旋天線就是在同一個圓柱面上纏繞2根尺寸完全相同的螺旋線,螺旋線位置相差180°,只給一個螺旋線饋電。

反射板直徑取1λ,反射板形狀為平盤,分別仿真計算雙繞螺旋天線、寄生螺旋天線和單繞螺旋天線的方向性系數、駐波及軸比,其中方向性系數隨饋電方式的變化而變化,而駐波、軸比基本無變化。仿真結果如表4所示。

表4 方向性系數與饋電方式的關系

從仿真結果可以看出,在相同尺寸下,單繞螺旋天線的方向性系數最小,寄生螺旋天線的方向性系數居中,雙繞螺旋天線的方向性系數最大。

2.4 實測結果

由于制作成本及工作量的關系,沒有將上述所有仿真情況進行實物加工及測試,只制作了一種雙繞螺旋天線,螺旋直徑為143 mm,螺距為112mm,螺旋升角為14°,圈數為 8圈,反射板為平盤,直徑452 mm,螺旋線采用直徑為 Ф 8 mm的銅管。采用50 Ω的同軸線饋電,螺旋線起始0.25λ升角為4°,微調反射盤與螺旋線起始階段的距離,可以得到較好的匹配效果。天線仿真與實測結果對比如圖4所示。從對比結果可以看出,天線仿真和實測結果基本一致,誤差不超過0.3 dB,因此有理由相信以上的仿真結果具有參考價值。

圖4 天線仿真與實測結果對比

3 結束語

傳統的軸向模螺旋天線的方向性系數公式只考慮了螺旋直徑、螺距及圈數等幾個變量,忽略了反射板的尺寸和形狀以及饋電方式對方向性系數的影響。采用仿真與實測相結合的方式,定性分析了軸向模螺旋天線的方向性系數與反射板的尺寸和形狀以及饋電反射式的關系,為軸向模螺旋天線的設計提供了有價值的參考。

[1]林昌祿.天線工程手冊[M].北京:電子工業出版社,2002.

[2]KRAUS J D,MARHEFKA R J.天線(第 3版)[M].北京:電子工業出版社,2006.

[3]劉慶利,潘成勝.軸向模螺旋天線特性的研究及仿真實現[J].沈陽理工大學學報,2007(3):1-4.

[4]牛傳峰.一種L波段背射模螺旋饋源[J].無線電工程,2008,38(9):49-50.