一種新型雙臂螺旋天線的研究與設(shè)計(jì)

隨著衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始發(fā)展自己的導(dǎo)航通信系統(tǒng)。由于各種導(dǎo)航通信系統(tǒng)的衛(wèi)星在空間的分布有限，因此在低信息速率、小容量的衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中，要求所用終端的天線具有體積小，損耗低，極化為圓極化，俯仰面要寬和方向圖為全向方位面。雖然單臂螺旋天線和四臂螺旋天線經(jīng)常被采用，然而單臂螺旋天線增益比雙臂螺旋天線低2 dB，四臂螺旋天線要求各線的饋電相位分別為0°，90°，180°，270°，這就勢(shì)必要求比較復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，而雙臂螺旋天線正好彌補(bǔ)了它們的缺點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋的物理參數(shù)，能夠得到主瓣指向衛(wèi)星的賦形波束，所以在衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中雙臂螺旋天線成了一種適宜的選擇。
根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)要求，終端所用天線設(shè)計(jì)需要滿足以下幾點(diǎn)：天線覆蓋范圍為方位O°～360°，天頂角為20°～58°，波瓣中心增益為5．5 dBi，波瓣中心點(diǎn)±19°處的增益為2．5 d Bi。除此之外，發(fā)射右旋圓極化波的軸比小于3 dB，要求在不到1 %的頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1．5。由于特殊的用途要求，終端所用天線不同于傳統(tǒng)的法向和軸向螺旋天線。

1 天線模型的設(shè)計(jì)
采用的雙臂螺旋天線，使用平行雙線纏繞柱狀介質(zhì)棒而成，平行雙線是一種開(kāi)放式的傳輸線，其電場(chǎng)向外部延伸。當(dāng)平行雙線扭曲變形時(shí)就會(huì)引起輻射，其饋電點(diǎn)相位差180°。由于采用同軸線給雙線饋電，匹配變得至關(guān)重要，也成為本天線設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，在非對(duì)稱的同軸線與對(duì)稱螺旋線之間需要用到對(duì)稱轉(zhuǎn)換器(本文采用裂縫式對(duì)稱轉(zhuǎn)換器)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在柱坐標(biāo)中，螺旋線位于半徑為r0的支撐桿表面上，螺旋線可以定義為：

它在ψ和z向具有周期性，模型如圖2所示。

2 天線分析以及性能的研究
雙臂螺旋天線的雙臂上電流近似為：

式中,
令α為積分變量，則電場(chǎng)公式為：