軸向模螺旋天線方向性系數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單,帶寬較寬,因此在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

螺旋天線的方向性系數(shù)除了與螺旋直徑、螺距和圈數(shù)等相關(guān)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(guān)。資料中螺旋天線的方向性系數(shù)與螺旋直徑、螺距和圈數(shù)的關(guān)系介紹較多,卻很少提及方向性系數(shù)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(guān)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(shù)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(guān)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(nèi)導(dǎo)體和螺旋線一端相接,外導(dǎo)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(shù),l為軸長,各幾何參數(shù)之間存在如下關(guān)系[1]:

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

式中,P為相對傳播常數(shù)。

方向圖主瓣寬度為:

方向性系數(shù)計算式為:

考慮到副瓣的影響和波瓣圖形狀的細節(jié),更符合實際的關(guān)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(shù)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(shù)有關(guān),且圈數(shù)越多,軸比越好。

軸向模螺旋天線在螺旋上傳輸?shù)氖切胁?因此其輸入阻抗為純電阻,阻值與螺旋線的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),可近似計算為:

2 設(shè)計與仿真

2.1 天線電氣設(shè)計

由于資料中介紹的軸向模螺旋天線的方向性系數(shù)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(shù)的關(guān)系。

螺旋天線的輻射特性與螺旋線的直徑有很大關(guān)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(nèi)輻射最大,方向圖為一個圓,而在包含螺旋軸線的平面內(nèi)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(shè)計尺寸如下:螺距為 112 mm,螺旋升角為14°,圈數(shù)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(chǎn)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(shù)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(shù)、駐波、軸比仿真結(jié)果如表1所示。

表1 方向性系數(shù)仿真結(jié)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(shù)、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(jié)果可以看出方向性系數(shù)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(shù)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 方向性系數(shù)與反射板尺寸的關(guān)系

從仿真結(jié)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(shù)隨反射板直徑的增大而增大。繼續(xù)增大反射板直徑,天線方向性系數(shù)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(shù)、駐波及軸比,其中方向性系數(shù)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(shù)仿真結(jié)果如表3所示。

圖3 賦形反射板尺寸

表3 方向性系數(shù)與反射板形狀的關(guān)系

從仿真結(jié)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(shù)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(shù)、駐波及軸比,其中方向性系數(shù)隨饋電方式的變化而變化,而駐波、軸比基本無變化。仿真結(jié)果如表4所示。

表4 方向性系數(shù)與饋電方式的關(guān)系

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

2.4 實測結(jié)果

由于制作成本及工作量的關(guān)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(shù)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(diào)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(jié)果對比如圖4所示。從對比結(jié)果可以看出,天線仿真和實測結(jié)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(jié)果具有參考價值。

圖4 天線仿真與實測結(jié)果對比

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的軸向模螺旋天線的方向性系數(shù)公式只考慮了螺旋直徑、螺距及圈數(shù)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(shù)的影響。采用仿真與實測相結(jié)合的方式,定性分析了軸向模螺旋天線的方向性系數(shù)與反射板的尺寸和形狀以及饋電反射式的關(guān)系,為軸向模螺旋天線的設(shè)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(yè)出版社,2002.

[2]KRAUS J D,MARHEFKA R J.天線(第 3版)[M].北京:電子工業(yè)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(xiàn)[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.