具有蛇形結(jié)構(gòu)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(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣東 廣州 510006;2.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)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(guān)注[1-2]。近年來,研究者們提出了許多全向圓極化天線的設(shè)計(jì)方法[3-12]。其中大多數(shù)全向圓極化天線由兩個(gè)正交的線極化天線組合構(gòu)成[3-8]。另外,如介質(zhì)諧振器天線是同時(shí)激勵(lì)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(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射[10-12]。雖然通過上述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全向圓極化輻射,但它們通常具有較大的尺寸或復(fù)雜的饋電和匹配網(wǎng)絡(luò)。

螺旋天線由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)圓極化而得到了廣泛的研究[13]。三維結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(jié)構(gòu),一般要求螺旋直徑小于0.18λ。當(dāng)工作在圓極化狀態(tài)下,其高度(沿其軸的總長(zhǎng)度)也非常小。對(duì)于傳統(tǒng)的0.5λ圓極化法向模螺旋天線,輸入電阻在第一諧振點(diǎn)處只有幾歐姆,而對(duì)于傳統(tǒng)的nλ/2 圓極化法向模螺旋天線,由于電流相鄰兩個(gè)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(jiǎn)單地增加螺旋輻射體的長(zhǎng)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(jìn)饋電方法,如通過耦合探針饋電[16]和多對(duì)螺旋線同相饋電[17]等。文獻(xiàn)[16]中耦合探針饋電的方式雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)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(gè)頻點(diǎn)處滿足圓極化特性,而在其他頻點(diǎn)處產(chǎn)生劇變,極化性能并不穩(wěn)定。而文獻(xiàn)[17]中多對(duì)螺旋線同相饋電結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)與50 Ω 同軸線實(shí)現(xiàn)匹配,實(shí)現(xiàn)了良好的全向圓極化特性,但結(jié)構(gòu)卻相對(duì)復(fù)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(huán)或電偶極子耦合饋電的方法,實(shí)現(xiàn)了良好的匹配和圓極化性能,但是饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,并且增益小于2 dBi;另外一類是改進(jìn)螺旋天線的結(jié)構(gòu),如在半波長(zhǎng)處物理結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)等方法[19]。

本文針對(duì)上述問題提出了一種具有蛇形結(jié)構(gòu)的全向圓極化輻射的新型螺旋天線。螺旋結(jié)構(gòu)包括三段獨(dú)立的0.5λ螺旋線作為主輻射體和兩個(gè)蛇形曲折結(jié)構(gòu)。通過引入兩個(gè)蛇形結(jié)構(gòu)使得主要輻射體的表面電流方向一致,并且蛇形結(jié)構(gòu)上的電流輻射兩兩抵消,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能影響很小,因此僅需適當(dāng)優(yōu)化輻射螺旋體的參數(shù)即可獲得圓極化性能。并且相對(duì)于傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)法向模螺旋輻射阻抗大幅提高。經(jīng)過樣品的加工與測(cè)試,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。

1 全向圓極化螺旋天線的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

圖1 給出了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的演進(jìn)過程。眾所周知,天線在輻射圓極化波時(shí)要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)分量具有90°的相位差且兩個(gè)電場(chǎng)分量大小相等。傳統(tǒng)的法向模螺旋在輻射圓極化波時(shí),可以將一段螺旋近似簡(jiǎn)化為一個(gè)水平環(huán)和垂直偶極子的組合,因此通過合適的參數(shù)選擇,當(dāng)電場(chǎng)的水平分量和垂直分量相等時(shí),就能夠保證圓極化輻射[20]。

圖1 螺旋天線演進(jìn)結(jié)構(gòu)與表面電流分布Fig.1 Structure evolution of helical antennas and related surface current distribution

對(duì)于圖1(a)所示的半波長(zhǎng)法向模螺旋天線,在諧振時(shí)各處表面電流同向,通過調(diào)節(jié)直徑與螺距很容易實(shí)現(xiàn)圓極化。該天線尺寸小,結(jié)構(gòu)緊湊,但在諧振點(diǎn)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(duì)于圖1(a)所示的半波長(zhǎng)法向模螺旋而言嘗試增加長(zhǎng)度到1.5λ后,如圖1(b)所示。但由于電流在工作頻段內(nèi)每半個(gè)波長(zhǎng)方向相反,導(dǎo)致1.5λ螺旋線上的電流方向并不一致,電流所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)也將部分抵消。因此只簡(jiǎn)單地增加長(zhǎng)度不能達(dá)到提高輻射電阻的效果[18]。那么,如果能設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)Q,如圖1(c)所示,置于相鄰的半波長(zhǎng)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(zhǎng)螺旋強(qiáng)。同時(shí),結(jié)構(gòu)Q 要盡量不影響遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。

類似能實(shí)現(xiàn)上述性能的結(jié)構(gòu)較早見于富蘭克林天線[21],它是一種長(zhǎng)導(dǎo)線天線,在每半波長(zhǎng)處引入折疊的半波長(zhǎng)導(dǎo)線,使得主要輻射導(dǎo)線上電流方向一致。而由于折疊的導(dǎo)線上流過的電流大小相等且方向相反,那么由電流所激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)也將會(huì)相互抵消,從而對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射貢獻(xiàn)很小。受到這種天線結(jié)構(gòu)啟發(fā),在螺旋的每半波長(zhǎng)處同樣也設(shè)計(jì)一種類似的曲折結(jié)構(gòu),其上預(yù)設(shè)的工作電流為半個(gè)波長(zhǎng),且組成成對(duì)反向的電流組,保證激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)相消,這樣有很大可能實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的效果。

1.2 天線結(jié)構(gòu)

圖2 為所提出的具有蛇形曲折結(jié)構(gòu)的全向圓極化螺旋天線的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。它是由三段0.5λ長(zhǎng)的右旋螺旋線和兩個(gè)蛇形曲折結(jié)構(gòu)(#1,#2)串聯(lián)而成。上述所有線段均為理想導(dǎo)體。

圖2 所設(shè)計(jì)的螺旋天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of the proposed helical antenna with snake-like structure

其中三段0.5λ長(zhǎng)螺旋線作為主要輻射體,將會(huì)產(chǎn)生全向圓極化波。最外側(cè)的兩段螺旋線具有相同的參數(shù)分別是圈數(shù)n2和螺距s2,中間螺旋線的螺距和圈數(shù)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(gè)蛇形結(jié)構(gòu)是由四段等長(zhǎng)等間距的水平線段通過三個(gè)極短的垂直連接線串聯(lián)而成,其中每一段水平段的長(zhǎng)度和兩段之間的間距分別用c1和g來表示。繞制天線的導(dǎo)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(shè)計(jì)在2.4 GHz。

經(jīng)過仿真與參數(shù)優(yōu)化后,可以較好實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射的一組參數(shù)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(yàn)證

圖3 是所設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)相互抵消,對(duì)天線在遠(yuǎn)場(chǎng)的貢獻(xiàn)很小,即遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性主要由三段0.5λ長(zhǎng)的螺旋線決定。雖然蛇形結(jié)構(gòu)中垂直段也會(huì)產(chǎn)生輻射,但由于其長(zhǎng)度極小可以忽略不計(jì)。

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(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn),蛇形結(jié)構(gòu)的實(shí)際總長(zhǎng)度要比自由空間半波長(zhǎng)稍微長(zhǎng)一些。通過分析,應(yīng)該是由于水平段之間的耦合使得結(jié)構(gòu)有效長(zhǎng)度變短所致。另外,天線主要產(chǎn)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(nèi),且最大右旋圓極化增益達(dá)到了3.4 dBi,說明該天線實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的螺旋天線的輻射電阻為35 Ω,還可以根據(jù)所需通過優(yōu)化適當(dāng)調(diào)整。而半波長(zhǎng)螺旋的電阻一般為3～4 Ω,遠(yuǎn)小于本設(shè)計(jì)。天線的軸比曲線如圖6 所示,該天線在工作頻點(diǎn)處整個(gè)水平面上的軸比都小于3 dB,實(shí)現(xiàn)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(cè)試分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的具有蛇形結(jié)構(gòu)的全向圓極化螺旋天線樣品進(jìn)行了加工與測(cè)試,樣品實(shí)物圖如圖7 所示,天線主體旋繞結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的巴倫僅為測(cè)試天線所用,并未考慮饋線小型化的問題,在實(shí)際當(dāng)中該天線也可以采用λ/4 對(duì)稱形式的巴倫[19],使得天線整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。下面將對(duì)比仿真與測(cè)試結(jié)果,其中仿真結(jié)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(cè)試與仿真反射系數(shù)。其中,測(cè)試的-10 dB 匹配帶寬為2.383～2.426 GHz(1.3%),與仿真結(jié)果對(duì)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(cè)試所得天線方向圖。由圖9 可以看出,仿真和測(cè)試結(jié)果基本一致。其中仿真和測(cè)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(cè)試及仿真反射系數(shù)Fig.8 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed helical antenna

圖9 2.4 GHz 仿真和測(cè)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(cè)試軸比隨頻率變化的曲線圖,測(cè)試所得軸比小于3 dB 的帶寬約為8.5%(2.36～2.57 GHz),整個(gè)阻抗匹配帶寬都在軸比帶寬內(nèi)。圖10(b)為工作頻率處仿真和測(cè)試的軸比隨角度變化的曲線圖,測(cè)試曲線波動(dòng)起伏略大于仿真結(jié)果,但在工作頻點(diǎn)處360°方向內(nèi)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(cè)試的螺旋天線軸比Fig.10 Simulated and measured axial ratios of the helical antenna

3 結(jié)論

本文提出了一種具有蛇形結(jié)構(gòu)的全向圓極化螺旋天線,通過引入兩個(gè)蛇形結(jié)構(gòu)使得主體螺旋線上電流方向一致,且蛇形結(jié)構(gòu)上的多組電流對(duì)電流方向相反,幾乎不影響遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能,從而獲得了遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)半波長(zhǎng)圓極化法向模螺旋的輻射電阻。對(duì)天線樣品進(jìn)行了加工與測(cè)試,測(cè)量結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)天線的最大增益和阻抗帶寬分別為3.03 dBi 和1.3%,與傳統(tǒng)法向模螺旋天線相比增益更高且?guī)捀鼘?驗(yàn)證了理論與設(shè)計(jì)方案的可行性。由于尺寸小,本設(shè)計(jì)的天線還可以進(jìn)一步組成串饋陣列,實(shí)現(xiàn)定向圓極化輻射,相關(guān)工作將在后續(xù)文章中報(bào)道。另一方面,螺旋的軸比帶寬遠(yuǎn)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(gè)值得研究的方向。