具有蛇形结构的全向圆极化螺旋天线

胡振欣 ,李华成 ,李云楷 ,叶亮华

(1.广东工业大学 自动化学院,广东 广州 510006;2.广东工业大学 物理与光电工程学院,广东 广州 510006)

全向圆极化天线因其圆极化特性和全向辐射模式而受到越来越多的关注[1-2]。近年来,研究者们提出了许多全向圆极化天线的设计方法[3-12]。其中大多数全向圆极化天线由两个正交的线极化天线组合构成[3-8]。另外,如介质谐振器天线是同时激励其垂直和水平极化模式[9-10]。还有的是通过在圆柱腔体表面刻蚀正交槽来实现全向圆极化辐射[10-12]。虽然通过上述设计实现了全向圆极化辐射,但它们通常具有较大的尺寸或复杂的馈电和匹配网络。

螺旋天线由于其结构简单,易于实现圆极化而得到了广泛的研究[13]。三维结构的螺旋天线一般有两种常用的辐射模式:一种是轴向模辐射;另一种是法向模辐射。轴向模螺旋的周长约为1λ,具有宽阻抗带宽、中等增益的定向圆极化波束[14-15]。与轴向模螺旋相比,法向模螺旋具有全向辐射模式和非常紧凑的结构,一般要求螺旋直径小于0.18λ。当工作在圆极化状态下,其高度(沿其轴的总长度)也非常小。对于传统的0.5λ圆极化法向模螺旋天线,输入电阻在第一谐振点处只有几欧姆,而对于传统的nλ/2 圆极化法向模螺旋天线,由于电流相邻两个半波方向反向,从而辐射体表面电流方向并不一致。因此仅仅通过简单地增加螺旋辐射体的长度以提高天线的辐射阻抗是不可行的。为了解决全向圆极化法向模螺旋天线目前所面临的问题,近年来研究者们提出了许多方法,可以概括为两类:一类是改进馈电方法,如通过耦合探针馈电[16]和多对螺旋线同相馈电[17]等。文献[16]中耦合探针馈电的方式虽然都能够实现与50 Ω 同轴线的良好匹配,但是耦合探针馈电的形式却只能在一个频点处满足圆极化特性,而在其他频点处产生剧变,极化性能并不稳定。而文献[17]中多对螺旋线同相馈电结构通过段与段之间的耦合将辐射阻抗提高到了100 Ω 左右,并通过馈电网络与50 Ω 同轴线实现匹配,实现了良好的全向圆极化特性,但结构却相对复杂。最近提出了一种新型的圆极化法向模螺旋天线[18],通过电流环或电偶极子耦合馈电的方法,实现了良好的匹配和圆极化性能,但是馈电结构的设计相对复杂,并且增益小于2 dBi;另外一类是改进螺旋天线的结构,如在半波长处物理结构的反转等方法[19]。

本文针对上述问题提出了一种具有蛇形结构的全向圆极化辐射的新型螺旋天线。螺旋结构包括三段独立的0.5λ螺旋线作为主辐射体和两个蛇形曲折结构。通过引入两个蛇形结构使得主要辐射体的表面电流方向一致,并且蛇形结构上的电流辐射两两抵消,对远场辐射性能影响很小,因此仅需适当优化辐射螺旋体的参数即可获得圆极化性能。并且相对于传统的半波长法向模螺旋辐射阻抗大幅提高。经过样品的加工与测试,仿真结果与实测结果吻合。

1 全向圆极化螺旋天线的设计

1.1 设计思路

图1 给出了天线结构设计的演进过程。众所周知,天线在辐射圆极化波时要满足远场电场分量具有90°的相位差且两个电场分量大小相等。传统的法向模螺旋在辐射圆极化波时,可以将一段螺旋近似简化为一个水平环和垂直偶极子的组合,因此通过合适的参数选择,当电场的水平分量和垂直分量相等时,就能够保证圆极化辐射[20]。

图1 螺旋天线演进结构与表面电流分布Fig.1 Structure evolution of helical antennas and related surface current distribution

对于图1(a)所示的半波长法向模螺旋天线,在谐振时各处表面电流同向,通过调节直径与螺距很容易实现圆极化。该天线尺寸小,结构紧凑,但在谐振点处辐射电阻仅有几欧姆,不易与常用的50 Ω 端口匹配。一般为了提高辐射电阻,常用的方法是增大口径,对于图1(a)所示的半波长法向模螺旋而言尝试增加长度到1.5λ后,如图1(b)所示。但由于电流在工作频段内每半个波长方向相反,导致1.5λ螺旋线上的电流方向并不一致,电流所产生的辐射场也将部分抵消。因此只简单地增加长度不能达到提高辐射电阻的效果[18]。那么,如果能设计出一种结构Q,如图1(c)所示,置于相邻的半波长螺旋线之间,使得原螺旋线上的电流方向一致,那么天线的辐射能力将比半波长螺旋强。同时,结构Q 要尽量不影响远场辐射特性。

类似能实现上述性能的结构较早见于富兰克林天线[21],它是一种长导线天线,在每半波长处引入折叠的半波长导线,使得主要辐射导线上电流方向一致。而由于折叠的导线上流过的电流大小相等且方向相反,那么由电流所激发的远场电场也将会相互抵消,从而对远场辐射贡献很小。受到这种天线结构启发,在螺旋的每半波长处同样也设计一种类似的曲折结构,其上预设的工作电流为半个波长,且组成成对反向的电流组,保证激发的远场电场相消,这样有很大可能实现所预期的效果。

1.2 天线结构

图2 为所提出的具有蛇形曲折结构的全向圆极化螺旋天线的几何结构示意图。它是由三段0.5λ长的右旋螺旋线和两个蛇形曲折结构(#1,#2)串联而成。上述所有线段均为理想导体。

图2 所设计的螺旋天线结构Fig.2 Configuration of the proposed helical antenna with snake-like structure

其中三段0.5λ长螺旋线作为主要辐射体,将会产生全向圆极化波。最外侧的两段螺旋线具有相同的参数分别是圈数n2和螺距s2,中间螺旋线的螺距和圈数分别用s1和n1表示,值得注意的是三段螺旋线具有相同的直径d。另外,每个蛇形结构是由四段等长等间距的水平线段通过三个极短的垂直连接线串联而成,其中每一段水平段的长度和两段之间的间距分别用c1和g来表示。绕制天线的导线的横截面为矩形,宽度和厚度分别为w和t。除此之外,该螺旋天线的中心频率设计在2.4 GHz。

经过仿真与参数优化后,可以较好实现全向圆极化辐射的一组参数为: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 仿真验证

图3 是所设计的螺旋天线在工作频率处的表面电流仿真分布图。由图3 可知,螺旋线上的电流方向一致,而蛇形结构中物理的弯折使水平段上的电流方向两两相反,因此水平段上电流产生的远场电场相互抵消,对天线在远场的贡献很小,即远场辐射特性主要由三段0.5λ长的螺旋线决定。虽然蛇形结构中垂直段也会产生辐射,但由于其长度极小可以忽略不计。

图3 螺旋天线表面电流分布图Fig.3 Approximate surface current distribution of the proposed helical antenna

值得注意的是,经过仿真发现,蛇形结构的实际总长度要比自由空间半波长稍微长一些。通过分析,应该是由于水平段之间的耦合使得结构有效长度变短所致。另外,天线主要产生右旋圆极化波,天线的主极化和交叉极化分量在水平面和垂直面的辐射方向图如图4 所示。图4(a)为2.4 GHz 处水平面上的方向图,可以看出在水平面上的增益曲线圆度较好,起伏在1 dB 以内,且最大右旋圆极化增益达到了3.4 dBi,说明该天线实现了较好的全向辐射。

图4 2.4 GHz 处仿真方向图Fig.4 Simulated radiation patterns at 2.4 GHz

图5 是该天线的仿真输入阻抗曲线,可以看出,所设计的螺旋天线的辐射电阻为35 Ω,还可以根据所需通过优化适当调整。而半波长螺旋的电阻一般为3～4 Ω,远小于本设计。天线的轴比曲线如图6 所示,该天线在工作频点处整个水平面上的轴比都小于3 dB,实现了良好的圆极化辐射。

图5 全向圆极化螺旋仿真输入阻抗Fig.5 Simulated input impedance of the omnidirectional circularly polarized helix

图6 全向圆极化螺旋仿真轴比(θ=90°)Fig.6 Simulated axial ratio of the omnidirectional circularly polarized helix

2 加工与测试分析

对所设计的具有蛇形结构的全向圆极化螺旋天线样品进行了加工与测试,样品实物图如图7 所示,天线主体旋绕结构采用全金属3D 打印制造工艺,由铝合金材料制成并且在表面电镀合金以利于焊接。天线馈电采用微带渐变巴伦,馈电端口匹配50 Ω 同轴接头。需要说明的是本设计的巴伦仅为测试天线所用,并未考虑馈线小型化的问题,在实际当中该天线也可以采用λ/4 对称形式的巴伦[19],使得天线整体结构更加紧凑。下面将对比仿真与测试结果,其中仿真结果包含了巴伦和同轴接头的影响。

图8 给出了所加工的天线的测试与仿真反射系数。其中,测试的-10 dB 匹配带宽为2.383～2.426 GHz(1.3%),与仿真结果对比,向低频端略微偏移,但带宽相近,可能是由于加工与焊接造成的误差。图9 是谐振频率处仿真和测试所得天线方向图。由图9 可以看出,仿真和测试结果基本一致。其中仿真和测试的主极化增益分别为3.03 dBi 和2.83 dBi,水平辐射面360°方向上的交叉极化都大于15 dB。

图8 所提出天线测试及仿真反射系数Fig.8 Simulated and measured reflection coefficients of the proposed helical antenna

图9 2.4 GHz 仿真和测试方向图Fig.9 Simulated and measured radiation patterns at 2.4 GHz

图10(a)给出了仿真和测试轴比随频率变化的曲线图,测试所得轴比小于3 dB 的带宽约为8.5%(2.36～2.57 GHz),整个阻抗匹配带宽都在轴比带宽内。图10(b)为工作频率处仿真和测试的轴比随角度变化的曲线图,测试曲线波动起伏略大于仿真结果,但在工作频点处360°方向内依然小于3 dB。因此,该天线具有良好的全向圆极化性能。

图10 仿真和测试的螺旋天线轴比Fig.10 Simulated and measured axial ratios of the helical antenna

3 结论

本文提出了一种具有蛇形结构的全向圆极化螺旋天线,通过引入两个蛇形结构使得主体螺旋线上电流方向一致,且蛇形结构上的多组电流对电流方向相反,几乎不影响远场辐射性能,从而获得了远高于传统半波长圆极化法向模螺旋的辐射电阻。对天线样品进行了加工与测试,测量结果表明,所设计天线的最大增益和阻抗带宽分别为3.03 dBi 和1.3%,与传统法向模螺旋天线相比增益更高且带宽更宽,验证了理论与设计方案的可行性。由于尺寸小,本设计的天线还可以进一步组成串馈阵列,实现定向圆极化辐射,相关工作将在后续文章中报道。另一方面,螺旋的轴比带宽远比它的阻抗带宽宽,这表明提高该天线的综合带宽仍有空间,是一个值得研究的方向。