具有蛇形結構的全向圓極化螺旋天線

胡振欣 ,李華成 ,李云楷 ,葉亮華

(1.廣東工業大學 自動化學院,廣東 廣州 510006;2.廣東工業大學 物理與光電工程學院,廣東 廣州 510006)

全向圓極化天線因其圓極化特性和全向輻射模式而受到越來越多的關注[1-2]。近年來,研究者們提出了許多全向圓極化天線的設計方法[3-12]。其中大多數全向圓極化天線由兩個正交的線極化天線組合構成[3-8]。另外,如介質諧振器天線是同時激勵其垂直和水平極化模式[9-10]。還有的是通過在圓柱腔體表面刻蝕正交槽來實現全向圓極化輻射[10-12]。雖然通過上述設計實現了全向圓極化輻射,但它們通常具有較大的尺寸或復雜的饋電和匹配網絡。

螺旋天線由于其結構簡單,易于實現圓極化而得到了廣泛的研究[13]。三維結構的螺旋天線一般有兩種常用的輻射模式:一種是軸向模輻射;另一種是法向模輻射。軸向模螺旋的周長約為1λ,具有寬阻抗帶寬、中等增益的定向圓極化波束[14-15]。與軸向模螺旋相比,法向模螺旋具有全向輻射模式和非常緊湊的結構,一般要求螺旋直徑小于0.18λ。當工作在圓極化狀態下,其高度(沿其軸的總長度)也非常小。對于傳統的0.5λ圓極化法向模螺旋天線,輸入電阻在第一諧振點處只有幾歐姆,而對于傳統的nλ/2 圓極化法向模螺旋天線,由于電流相鄰兩個半波方向反向,從而輻射體表面電流方向并不一致。因此僅僅通過簡單地增加螺旋輻射體的長度以提高天線的輻射阻抗是不可行的。為了解決全向圓極化法向模螺旋天線目前所面臨的問題,近年來研究者們提出了許多方法,可以概括為兩類:一類是改進饋電方法,如通過耦合探針饋電[16]和多對螺旋線同相饋電[17]等。文獻[16]中耦合探針饋電的方式雖然都能夠實現與50 Ω 同軸線的良好匹配,但是耦合探針饋電的形式卻只能在一個頻點處滿足圓極化特性,而在其他頻點處產生劇變,極化性能并不穩定。而文獻[17]中多對螺旋線同相饋電結構通過段與段之間的耦合將輻射阻抗提高到了100 Ω 左右,并通過饋電網絡與50 Ω 同軸線實現匹配,實現了良好的全向圓極化特性,但結構卻相對復雜。最近提出了一種新型的圓極化法向模螺旋天線[18],通過電流環或電偶極子耦合饋電的方法,實現了良好的匹配和圓極化性能,但是饋電結構的設計相對復雜,并且增益小于2 dBi;另外一類是改進螺旋天線的結構,如在半波長處物理結構的反轉等方法[19]。

本文針對上述問題提出了一種具有蛇形結構的全向圓極化輻射的新型螺旋天線。螺旋結構包括三段獨立的0.5λ螺旋線作為主輻射體和兩個蛇形曲折結構。通過引入兩個蛇形結構使得主要輻射體的表面電流方向一致,并且蛇形結構上的電流輻射兩兩抵消,對遠場輻射性能影響很小,因此僅需適當優化輻射螺旋體的參數即可獲得圓極化性能。并且相對于傳統的半波長法向模螺旋輻射阻抗大幅提高。經過樣品的加工與測試,仿真結果與實測結果吻合。

1 全向圓極化螺旋天線的設計

1.1 設計思路

圖1 給出了天線結構設計的演進過程。眾所周知,天線在輻射圓極化波時要滿足遠場電場分量具有90°的相位差且兩個電場分量大小相等。傳統的法向模螺旋在輻射圓極化波時,可以將一段螺旋近似簡化為一個水平環和垂直偶極子的組合,因此通過合適的參數選擇,當電場的水平分量和垂直分量相等時,就能夠保證圓極化輻射[20]。

圖1 螺旋天線演進結構與表面電流分布Fig.1 Structure evolution of helical antennas and related surface current distribution

對于圖1(a)所示的半波長法向模螺旋天線,在諧振時各處表面電流同向,通過調節直徑與螺距很容易實現圓極化。該天線尺寸小,結構緊湊,但在諧振點處輻射電阻僅有幾歐姆,不易與常用的50 Ω 端口匹配。一般為了提高輻射電阻,常用的方法是增大口徑,對于圖1(a)所示的半波長法向模螺旋而言嘗試增加長度到1.5λ后,如圖1(b)所示。但由于電流在工作頻段內每半個波長方向相反,導致1.5λ螺旋線上的電流方向并不一致,電流所產生的輻射場也將部分抵消。因此只簡單地增加長度不能達到提高輻射電阻的效果[18]。那么,如果能設計出一種結構Q,如圖1(c)所示,置于相鄰的半波長螺旋線之間,使得原螺旋線上的電流方向一致,那么天線的輻射能力將比半波長螺旋強。同時,結構Q 要盡量不影響遠場輻射特性。

類似能實現上述性能的結構較早見于富蘭克林天線[21],它是一種長導線天線,在每半波長處引入折疊的半波長導線,使得主要輻射導線上電流方向一致。而由于折疊的導線上流過的電流大小相等且方向相反,那么由電流所激發的遠場電場也將會相互抵消,從而對遠場輻射貢獻很小。受到這種天線結構啟發,在螺旋的每半波長處同樣也設計一種類似的曲折結構,其上預設的工作電流為半個波長,且組成成對反向的電流組,保證激發的遠場電場相消,這樣有很大可能實現所預期的效果。

1.2 天線結構

圖2 為所提出的具有蛇形曲折結構的全向圓極化螺旋天線的幾何結構示意圖。它是由三段0.5λ長的右旋螺旋線和兩個蛇形曲折結構(#1,#2)串聯而成。上述所有線段均為理想導體。

圖2 所設計的螺旋天線結構Fig.2 Configuration of the proposed helical antenna with snake-like structure

其中三段0.5λ長螺旋線作為主要輻射體,將會產生全向圓極化波。最外側的兩段螺旋線具有相同的參數分別是圈數n2和螺距s2,中間螺旋線的螺距和圈數分別用s1和n1表示,值得注意的是三段螺旋線具有相同的直徑d。另外,每個蛇形結構是由四段等長等間距的水平線段通過三個極短的垂直連接線串聯而成,其中每一段水平段的長度和兩段之間的間距分別用c1和g來表示。繞制天線的導線的橫截面為矩形,寬度和厚度分別為w和t。除此之外,該螺旋天線的中心頻率設計在2.4 GHz。

經過仿真與參數優化后,可以較好實現全向圓極化輻射的一組參數為:n1=1.24,n2=1.25,s1=19.5 mm,s2=20 mm,d=15 mm,w=1.8 mm,t=1.5 mm,c1=21.9 mm,g=4.2 mm。

1.3 仿真驗證

圖3 是所設計的螺旋天線在工作頻率處的表面電流仿真分布圖。由圖3 可知,螺旋線上的電流方向一致,而蛇形結構中物理的彎折使水平段上的電流方向兩兩相反,因此水平段上電流產生的遠場電場相互抵消,對天線在遠場的貢獻很小,即遠場輻射特性主要由三段0.5λ長的螺旋線決定。雖然蛇形結構中垂直段也會產生輻射,但由于其長度極小可以忽略不計。

圖3 螺旋天線表面電流分布圖Fig.3 Approximate surface current distribution of the proposed helical antenna

值得注意的是,經過仿真發現,蛇形結構的實際總長度要比自由空間半波長稍微長一些。通過分析,應該是由于水平段之間的耦合使得結構有效長度變短所致。另外,天線主要產生右旋圓極化波,天線的主極化和交叉極化分量在水平面和垂直面的輻射方向圖如圖4 所示。圖4(a)為2.4 GHz 處水平面上的方向圖,可以看出在水平面上的增益曲線圓度較好,起伏在1 dB 以內,且最大右旋圓極化增益達到了3.4 dBi,說明該天線實現了較好的全向輻射。

圖4 2.4 GHz 處仿真方向圖Fig.4 Simulated radiation patterns at 2.4 GHz

圖5 是該天線的仿真輸入阻抗曲線,可以看出,所設計的螺旋天線的輻射電阻為35 Ω,還可以根據所需通過優化適當調整。而半波長螺旋的電阻一般為3～4 Ω,遠小于本設計。天線的軸比曲線如圖6 所示,該天線在工作頻點處整個水平面上的軸比都小于3 dB,實現了良好的圓極化輻射。

圖5 全向圓極化螺旋仿真輸入阻抗Fig.5 Simulated input impedance of the omnidirectional circularly polarized helix

圖6 全向圓極化螺旋仿真軸比(θ=90°)Fig.6 Simulated axial ratio of the omnidirectional circularly polarized helix

2 加工與測試分析

對所設計的具有蛇形結構的全向圓極化螺旋天線樣品進行了加工與測試,樣品實物圖如圖7 所示,天線主體旋繞結構采用全金屬3D 打印制造工藝,由鋁合金材料制成并且在表面電鍍合金以利于焊接。天線饋電采用微帶漸變巴倫,饋電端口匹配50 Ω 同軸接頭。需要說明的是本設計的巴倫僅為測試天線所用,并未考慮饋線小型化的問題,在實際當中該天線也可以采用λ/4 對稱形式的巴倫[19],使得天線整體結構更加緊湊。下面將對比仿真與測試結果,其中仿真結果包含了巴倫和同軸接頭的影響。

圖8 給出了所加工的天線的測試與仿真反射系數。其中,測試的-10 dB 匹配帶寬為2.383～2.426 GHz(1.3%),與仿真結果對比,向低頻端略微偏移,但帶寬相近,可能是由于加工與焊接造成的誤差。圖9 是諧振頻率處仿真和測試所得天線方向圖。由圖9 可以看出,仿真和測試結果基本一致。其中仿真和測試的主極化增益分別為3.03 dBi 和2.83 dBi,水平輻射面360°方向上的交叉極化都大于15 dB。

圖8 所提出天線測試及仿真反射系數Fig.8 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed helical antenna

圖9 2.4 GHz 仿真和測試方向圖Fig.9 Simulated and measured radiation patterns at 2.4 GHz

圖10(a)給出了仿真和測試軸比隨頻率變化的曲線圖,測試所得軸比小于3 dB 的帶寬約為8.5%(2.36～2.57 GHz),整個阻抗匹配帶寬都在軸比帶寬內。圖10(b)為工作頻率處仿真和測試的軸比隨角度變化的曲線圖,測試曲線波動起伏略大于仿真結果,但在工作頻點處360°方向內依然小于3 dB。因此,該天線具有良好的全向圓極化性能。

圖10 仿真和測試的螺旋天線軸比Fig.10 Simulated and measured axial ratios of the helical antenna

3 結論

本文提出了一種具有蛇形結構的全向圓極化螺旋天線,通過引入兩個蛇形結構使得主體螺旋線上電流方向一致,且蛇形結構上的多組電流對電流方向相反,幾乎不影響遠場輻射性能,從而獲得了遠高于傳統半波長圓極化法向模螺旋的輻射電阻。對天線樣品進行了加工與測試,測量結果表明,所設計天線的最大增益和阻抗帶寬分別為3.03 dBi 和1.3%,與傳統法向模螺旋天線相比增益更高且帶寬更寬,驗證了理論與設計方案的可行性。由于尺寸小,本設計的天線還可以進一步組成串饋陣列,實現定向圓極化輻射,相關工作將在后續文章中報道。另一方面,螺旋的軸比帶寬遠比它的阻抗帶寬寬,這表明提高該天線的綜合帶寬仍有空間,是一個值得研究的方向。