一種新型饋電形式的四臂螺旋天線

商 鋒, 尚 瑋

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

在衛(wèi)星通信、武器制導(dǎo)等領(lǐng)域中，由于通信對(duì)象之間相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)，為了保證通信的順暢，衛(wèi)星天線應(yīng)具有圓極化、低仰角、高增益等特點(diǎn)，四臂螺旋天線正是由于具有這些優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

四臂螺旋天線常用的饋電形式是利用一個(gè)獨(dú)立于天線的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電和阻抗匹配。饋電網(wǎng)絡(luò)印刷在一個(gè)具有特定介電常數(shù)的電路板上，和天線組合在一起。饋電網(wǎng)絡(luò)的大小取決于工作頻率[4]，當(dāng)工作頻率較低時(shí)，饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸會(huì)增加，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸比天線本身大[5]。龐大的體積，限制了四臂螺旋天線的應(yīng)用。

四臂螺旋天線的小型化是一個(gè)重要的研究方向，通常采用螺旋臂折彎[6-7]、加載寄生枝節(jié)[8]、改變介質(zhì)形狀[9]、采用高介電常數(shù)[10]、改變饋電形式[11]、采用結(jié)構(gòu)緊湊的饋電網(wǎng)絡(luò)[12]等方法來(lái)減小天線尺寸。但是，四臂螺旋天線的饋電方式大多仍采用Wilkinson功率分配器結(jié)構(gòu)，饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸較大，致使四臂螺旋天線的饋電網(wǎng)絡(luò)很難小型化。

為了減小四臂螺旋天線的尺寸，本文擬提出一種新型饋電形式的四臂螺旋天線。不依靠底部較大的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)饋電，而是采用單同軸電纜經(jīng)天線軸心在頂部實(shí)現(xiàn)平衡饋電，以期減小天線的尺寸。

1 四臂螺旋天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的四臂螺旋天線包含四臂螺旋天線和底部饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)

上部的四臂螺旋天線由4根螺旋臂組成，采用頂部開(kāi)路的結(jié)構(gòu)。每根螺旋臂的臂長(zhǎng)為四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，螺旋臂的饋電電流大小相等，相位分別為0°、90°、180°、270°，依次相差90°，以實(shí)現(xiàn)天線的圓極化性能。

下部為饋電網(wǎng)絡(luò)部分。為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)臂兩兩相差90°的相位特性，通常利用一分四的Wilkinson功率分配器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[13]。一分四的功分器饋電網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示。

圖2 一分四的功分器饋電網(wǎng)絡(luò)

端口1、端口2、端口3、端口4分別接四臂螺旋天線的四個(gè)臂，每個(gè)端口兩兩相差90°，從而實(shí)現(xiàn)圓極化特性。

2 四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)分為天線設(shè)計(jì)和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1 螺旋天線的設(shè)計(jì)

采用印刷的方式制作螺旋天線，將螺旋臂印刷在相對(duì)介電常數(shù)為5.1的圓柱體上。四臂螺旋天線每根螺旋臂的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，調(diào)節(jié)螺旋臂的軸長(zhǎng)或者螺旋的圈數(shù)可以實(shí)現(xiàn)圓極化特性。利用HFSS ANSOFT仿真軟件進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，得到四臂螺旋天線的仿真模型，如圖3所示。天線中間有一根同軸線從圓柱的中心底部穿過(guò)，在天線的頂部進(jìn)行饋電。同軸線的內(nèi)導(dǎo)體連接天線的兩個(gè)螺旋臂上，外導(dǎo)體連接兩外兩個(gè)臂。

圖3 設(shè)計(jì)天線的仿真模型

設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖4所示。天線直徑D為18.5 mm，高度H為32.3 mm，螺距S為37 mm，螺旋直徑A為3.3 mm，螺旋圈數(shù)n為0.85。

圖4 設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)采用單同軸電纜頂部饋電網(wǎng)絡(luò)形式，以實(shí)現(xiàn)90°的相位差和阻抗匹配功能。設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)附著在螺旋天線的頂部，其尺寸和螺旋天線頂部的尺寸相同，采用單同軸電纜從底部經(jīng)軸心到達(dá)頂部進(jìn)行饋電。設(shè)計(jì)的頂部饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 頂部饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5中，R1、R2分別為圖中所指圓弧的內(nèi)、外半徑，作為饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置參數(shù)。M1、M2、M3和M4為4個(gè)金屬的輻射貼片，分別接螺旋天線的四個(gè)臂。螺旋臂之間的相位兩兩分別相差90°，即0°、90°、180°和270°。整體饋電網(wǎng)絡(luò)分為兩部分，分別接同軸體的內(nèi)、外導(dǎo)體。內(nèi)、外導(dǎo)體的電流方向相反，有180°的相位差，分布在螺旋臂上。M1與M2之間、M3與M4之間通過(guò)微帶線連接，使得M1與M2之間、M3與M4之間產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)了螺旋臂之間90°的相位差關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)連接M1與M2之間、M3與M4之間的微帶線長(zhǎng)度獲得良好的圓極化特性，微帶線的長(zhǎng)度和寬度的調(diào)整通過(guò)設(shè)置參數(shù)R1、R2進(jìn)行控制。

參照天線的螺距S參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)頂部饋電網(wǎng)絡(luò)的電容電感值實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配[13]。頂部饋電網(wǎng)絡(luò)的匹配網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 頂部饋電網(wǎng)絡(luò)的匹配網(wǎng)絡(luò)

利用ADS(advanced design system)軟件在頂端饋電網(wǎng)絡(luò)處加載電感電容進(jìn)行匹配[16]。把ANSOF HFSS的S參數(shù)導(dǎo)入到ADS軟件中，進(jìn)行阻抗匹配。經(jīng)設(shè)計(jì)后的匹配網(wǎng)絡(luò)中分別加入了串聯(lián)的兩個(gè)電感和并聯(lián)的兩個(gè)電容。電感值為12 nH，電容值分別為1.3 pF和2.6 pF。

3 仿真及結(jié)果分析

采用HFSS ANSOFT軟件仿真所設(shè)計(jì)天線的輻射方向圖，應(yīng)用ADS軟件仿真所設(shè)計(jì)天線的阻抗匹配。

3.1 方向圖的仿真

利用ANSOFT HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真及參數(shù)優(yōu)化后得到天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，如圖7所示。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的天線在仰角的余度為30°即仰角60°時(shí)，增益為-0.1 dBc；仰角的余度為330°即仰角240°時(shí)，增益為-0.2 dBc；仰角的余度為60°即仰角30°時(shí)，增益為2.23 dBc；仰角的余度為300°即仰角210°時(shí)，增益為2.27 dBc，仰角的余度為0°即正前方增益為3.01 dBc。

所設(shè)計(jì)螺旋天線的中心頻率為1 568 MHz，涵蓋了北斗B1頻點(diǎn)1 561.098 MHz，帶寬2.046MHZ以及GPS L1頻點(diǎn)1 575.42 MHz、1 561 MHz和1 575 MHz的頻率。

圖7 天線的輻射方向圖

所設(shè)計(jì)天線的增益隨頻率變化情況如圖8所示?？梢钥闯?，隨著頻率的增大，天線的增益也逐漸增大。B1頻點(diǎn)的邊頻1 559 MHz的增益為-0.8 dBc，GPS L1的邊頻1 576 MHz的增益為3.23 dBc。

圖8 增益隨頻率的變化

3.2 軸比的仿真

調(diào)節(jié)連接M1與M2之間、M3與M4之間的微帶線長(zhǎng)度獲得良好的圓極化特性。通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)R1、R2調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度和寬度。

不同R1對(duì)軸比影響的仿真結(jié)果如圖9所示。可以看出，R1的不同對(duì)軸比寬度有影響，R1值的不同引起M1、M2、M3、M4之間的微帶線的變化。當(dāng)R1為3.3 mm時(shí)，軸比寬度最好。

圖9 不同R1對(duì)軸比的影響

不同的R2對(duì)軸比的仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，當(dāng)R2為5.9 mm時(shí)軸比最寬。

圖10 不同R2對(duì)軸比的影響

當(dāng)R1為3.3 mm，R2為5.9 mm時(shí)的軸比結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯S比在3 dB以下的仰角的余度是從300°到60°，寬度為120°。即此時(shí)的軸比滿(mǎn)足3 dB以下寬度為120°。

圖11 螺旋天線的軸比

所設(shè)計(jì)天線的軸比隨著不同頻率變化的仿真結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，在B1頻點(diǎn)1 561.098 MHz、邊頻1559 MHz的軸比為3.3 dB；在GPS L1頻點(diǎn)1 575.42 MHz、邊頻1576 MHz的軸比為2.13 dB。只在1 559 MHz處的圓極化軸比大于3 dB。

圖12 軸比隨頻率的變化

3.3 阻抗匹配

所設(shè)計(jì)天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)天線在1.568 GHz處的回波損耗為-19.85 dB，1.576 GHz的回波損耗結(jié)果為-17.93 dB，1.559 GHz的回波損耗結(jié)果為-13.7 dB。滿(mǎn)足帶寬內(nèi)頻率的回波損耗小于-10 dB的要求。

圖13 天線的回波損耗

文獻(xiàn)[13]的四臂螺旋天線和本文所設(shè)計(jì)螺旋天線的結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 四臂螺旋天線對(duì)比

兩種螺旋天線相比較，文獻(xiàn)[13]四臂螺旋天線饋電依靠底部大型的饋電網(wǎng)絡(luò)，其尺寸為40 mm×40 mm，高為105.82 mm，軸比寬度為150°，正前方增益為3.2 dBc。

本文設(shè)計(jì)的四臂螺旋天線不采用底部大型的饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)位于四臂天線的頂部，直徑大小和四臂天線直徑一致。直徑為18.5 mm，高為32.3 mm，軸比寬度為120°，正前方增益為3 dBc。雖然設(shè)計(jì)天線的軸比寬度小于文獻(xiàn)[13]天線的軸比寬度，但尺寸小，易于集成。且正前方增益大，方向性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)四臂螺旋天線的小型化，采用單同軸電纜饋電模式，利用頂部饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電，在饋電處利用電容、電感進(jìn)行阻抗匹配。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線能夠同時(shí)涵蓋北斗B1頻點(diǎn)1以及GPS L1頻點(diǎn)。天線的右旋圓極化性能良好，駐波比小于1.5。與采用底部饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)四臂螺旋天線圓極化性能的方式相比，設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，尺寸較小。所提出的方法為天線的小型化提出了一種思路。