轴向模螺旋天线方向性系数分析

2011-06-13王志伟

无线电工程 2011年3期

王志伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

螺旋天线是用金属线绕制成螺旋结构的行波天线,当螺旋直径大约为一个波长时,它的辐射方向为轴向,且为圆极化波,旋向与螺旋绕向一致。因为螺旋天线结构简单,带宽较宽,因此在各个领域得到了广泛的应用。

螺旋天线的方向性系数除了与螺旋直径、螺距和圈数等相关外,还与反射板直径、反射板形状、单绕双绕或寄生等馈电方式有关。资料中螺旋天线的方向性系数与螺旋直径、螺距和圈数的关系介绍较多,却很少提及方向性系数与反射板直径、反射板形状、单绕双绕或寄生等馈电方式的关系。通过仿真与实物测试的方法给出了螺旋天线方向性系数与反射板直径、反射板形状、单绕双绕或寄生等馈电方式的关系。

1 轴向模螺旋天线

螺旋天线通常是用同轴线馈电,同轴线内导体和螺旋线一端相接,外导体和金属接地板相接,d为螺旋直径,s为螺距,α为螺旋升角,L为一圈的周长,n为圈数,l为轴长,各几何参数之间存在如下关系[1]:

轴向模螺旋天线的方向性函数可以用单圈的方向性函数乘以行波天线阵因子函数求得,工程上可以近似表示[1]为:

式中,P为相对传播常数。

方向图主瓣宽度为:

方向性系数计算式为:

考虑到副瓣的影响和波瓣图形状的细节,更符合实际的关系式为[2]:

如果已知螺旋天线的半功率波束宽度,则其方向性数还可以表示为[3]:

轴向模螺旋天线的轴比可近似计算为:

从轴比计算公式可以看出,轴向模螺旋天线的轴比只与螺旋圈数有关,且圈数越多,轴比越好。

轴向模螺旋天线在螺旋上传输的是行波,因此其输入阻抗为纯电阻,阻值与螺旋线的结构尺寸有关,可近似计算为:

2 设计与仿真

2.1 天线电气设计

由于资料中介绍的轴向模螺旋天线的方向性系数没有提及反射板及馈电方式,在HFSS中建模来研究反射板、馈电方式与方向性系数的关系。

螺旋天线的辐射特性与螺旋线的直径有很大关系。当螺旋直径d/λ＜0.18时,天线为法线辐射,即在垂直与螺旋线轴线的平面内辐射最大,方向图为一个圆,而在包含螺旋轴线的平面内方向图为一个∞字。当螺旋线的直径大约为0.25～0.46λ时,天线沿螺旋线的轴线方向具有最大辐射,即轴向模螺旋天线。为了兼顾方向图与轴比、驻波,取螺旋的直径为中心频率的 0.3个波长,即143 mm。其他各设计尺寸如下:螺距为 112 mm,螺旋升角为14°,圈数为8圈,反射板为平盘,直径452 mm。天线仿真模型如图1所示,天线辐射方向为Z轴正向,反射板放置在XY平面。采用50 Ω的同轴线馈电,为了与螺旋天线产生良好的匹配效果,螺旋线起始0.25λ升角为4°。

图1 天线仿真模型

天线仿真方向图如图2所示。天线方向性系数为12.9 dB,副瓣为-11 dB,后瓣为-13 dB。

图2 天线仿真方向图

天线方向性系数、驻波、轴比仿真结果如表1所示。

表1 方向性系数仿真结果(D=1λ)

2.2 反射板尺寸及形状

改变反射板直径D的大小,其他尺寸不变,重新仿真计算天线的方向性系数、驻波及轴比。反射板直径分别为中心频率的0.8λ、1.0λ、1.2λ。从仿真结果可以看出方向性系数随反射板直径的变化而变化,而驻波、轴比基本无变化。方向性系数仿真结果如表2所示。

表2 方向性系数与反射板尺寸的关系

从仿真结果可以看出,反射板直径在0.8～1.2λ之间变化时,天线方向性系数随反射板直径的增大而增大。继续增大反射板直径,天线方向性系数无明显变化。

反射板直径取λ,改变反射板的形状,反射板四周上翘30°,形成如图3所示的赋形盘。重新仿真计算天线的方向性系数、驻波及轴比,其中方向性系数随反射板形状的变化而变化,而驻波、轴比基本无变化。方向性系数仿真结果如表3所示。

图3 赋形反射板尺寸

表3 方向性系数与反射板形状的关系

从仿真结果可以看出,赋形反射板螺旋天线比同尺寸的平板反射板螺旋天线方向性系数略高。

2.3 馈电方式

所谓双绕螺旋天线就是在同一个圆柱面上缠绕2根尺寸完全相同的螺旋线,螺旋线位置空间相差180°,馈电相位也相差180°,馈电幅度相同。所谓寄生螺旋天线就是在同一个圆柱面上缠绕2根尺寸完全相同的螺旋线,螺旋线位置相差180°,只给一个螺旋线馈电。

反射板直径取1λ,反射板形状为平盘,分别仿真计算双绕螺旋天线、寄生螺旋天线和单绕螺旋天线的方向性系数、驻波及轴比,其中方向性系数随馈电方式的变化而变化,而驻波、轴比基本无变化。仿真结果如表4所示。

表4 方向性系数与馈电方式的关系

从仿真结果可以看出,在相同尺寸下,单绕螺旋天线的方向性系数最小,寄生螺旋天线的方向性系数居中,双绕螺旋天线的方向性系数最大。

2.4 实测结果

由于制作成本及工作量的关系,没有将上述所有仿真情况进行实物加工及测试,只制作了一种双绕螺旋天线,螺旋直径为143 mm,螺距为112mm,螺旋升角为14°,圈数为 8圈,反射板为平盘,直径452 mm,螺旋线采用直径为 Ф 8 mm的铜管。采用50 Ω的同轴线馈电,螺旋线起始0.25λ升角为4°,微调反射盘与螺旋线起始阶段的距离,可以得到较好的匹配效果。天线仿真与实测结果对比如图4所示。从对比结果可以看出,天线仿真和实测结果基本一致,误差不超过0.3 dB,因此有理由相信以上的仿真结果具有参考价值。