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本文介紹了一種適用于全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星移動通信的新型諧振式螺旋天線，闡述了它的工作原理和設計過程中的關(guān)鍵技術(shù)，最后通過給出一些實驗結(jié)果來說明它的性能指標。
關(guān)鍵詞：螺旋天線 寬頻帶 圓極化 寬波束
一、 引 言
眾所周知，天線一直是衛(wèi)星移動通信和全球定位系統(tǒng)（GPS）的一個技術(shù)難點，因為它除了必須滿足寬頻帶、寬波束和圓極化等一系列苛刻的電氣性能指標之外，還要做到體積小、重量輕，諧振式四臂螺旋天線因容易達到這些要求而得到了廣泛的應用。與一般的行波螺旋天線完全不同，這種天線由4根長mλ/4（m為一個整數(shù)、λ為波長）的螺旋臂組成，每根臂上的電流幅度相等、相位兩兩相差90°，它的末端（即非饋電的那一端）在m取偶數(shù)時必須短路，在m取奇數(shù)時必須開路。作為一種諧振式天線，工作頻帶窄是其固有的缺點。盡管為了解決這個問題，人們想出了許多方法，但一直未能取得令人滿意的效果。而我們采用一些新的設計思路，研制成功的八臂螺旋天線在實現(xiàn)寬頻帶（甚至雙頻）工作的同時，其他性能指標也得到明顯改善。本文首先對這種新型天線的工作原理作一個簡單的介紹，然后闡述設計過程中的幾個關(guān)鍵技術(shù)，最后還通過給出實測的數(shù)據(jù)來說明該天線的各項性能指標。
二、 工作原理
1.寬頻帶工作原理
盡管采用較粗的螺旋臂可使四臂螺旋天線輸入端的電抗隨頻率的變化變得較慢，因而能在一定范圍內(nèi)改善頻帶特性，但這種改進受到很大的限制，且付出的代價是增加了天線的重量和加工難度。為了能真正實現(xiàn)寬帶工作，我們以這種天線為基礎設計出的八臂螺旋天線如圖 1所示。這種新型天線由兩付形狀相同，共軸放置，但臂長不同的四臂螺旋天線組成。我們只對其中的一付螺旋天線饋電，另一付天線上的電流則通過電磁耦合得到。理論分析和實際測試都表明，八臂螺旋天線的輸入阻抗呈雙頻工作特性，其中一個諧振頻率跟原來的四臂螺旋基本相同，而另一個諧振頻率則取決于寄生臂的長度及其與饋電臂之間的距離。選擇好各種參數(shù)，使得兩個諧振頻率適當?shù)乜拷炀�的輸入端就會在比原四臂螺旋寬得多的頻帶范圍內(nèi)有良好的駐波比特性，并且在此寬帶范圍內(nèi)，天線的輻射方向圖始終保持寬波束圓極化性能。
圖 1 八臂螺旋天線
2.圓極化工作原理
對于一個八臂螺旋天線，由于就工作特性而言，一根饋電臂與跟它相鄰的那根寄生螺旋臂可等效成一根很粗的螺旋臂，因而它的圓極化工作原理跟四臂螺旋天線完全相同。不失一般性，我們假設螺旋臂的長度為λ/2，旋轉(zhuǎn)角度為180°。在這種情況下，由于天線處于諧振工作狀態(tài)，臂上的電流幅度接近正弦分布，其中最大值位于饋電點和短路點，零點位于螺旋臂的中部，那么我們就可得到由相對的兩根螺旋臂構(gòu)成的雙臂螺旋天線的簡化模型，如圖 2(a)所示。此處我們選擇螺旋中心為原點，螺旋軸為Z軸，頂面和底面上天線臂的平行線為Y軸來建立坐標系，另外柱面上的螺旋部分近似用直線和半圓的組合來代替，圖中的實箭頭表示電流方向，虛箭頭表示圓上電流的矢量和。顯然該模型可更進一步簡化為圖 2(b)所示的一個YZ平面上的電流環(huán)和一個X軸上的電偶極子的組合。同樣跟它垂直的另一付雙臂螺旋天線亦可等效成一個XZ平面上的電流環(huán)和一個Y軸上的電偶極子的組合。根據(jù)天線的基本原理，由于這兩組電流環(huán)和電偶極子互相垂直且相差90°，那么在遠區(qū)得到的是一個寬波束的心臟形圓極化方向圖。
來源：21IC電子網(wǎng)
