一種新型雙臂螺旋天線(xiàn)的研究與設計

隨著(zhù)衛星無(wú)線(xiàn)電導航業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的國家開(kāi)始發(fā)展自己的導航通信系統。由于各種導航通信系統的衛星在空間的分布有限，因此在低信息速率、小容量的衛星導航通信系統中，要求所用終端的天線(xiàn)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(xiàn)和四臂螺旋天線(xiàn)經(jīng)常被采用，然而單臂螺旋天線(xiàn)增益比雙臂螺旋天線(xiàn)低2 dB，四臂螺旋天線(xiàn)要求各線(xiàn)的饋電相位分別為0°，90°，180°，270°，這就勢必要求比較復雜的饋電網(wǎng)絡(luò )，而雙臂螺旋天線(xiàn)正好彌補了它們的缺點(diǎn)。通過(guò)調節螺旋的物理參數，能夠得到主瓣指向衛星的賦形波束，所以在衛星導航通信系統中雙臂螺旋天線(xiàn)成了一種適宜的選擇。
根據衛星導航通信系統要求，終端所用天線(xiàn)設計需要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：天線(xiàn)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 %的頻帶內電壓駐波比小于1．5。由于特殊的用途要求，終端所用天線(xiàn)不同于傳統的法向和軸向螺旋天線(xiàn)。

1 天線(xiàn)模型的設計
采用的雙臂螺旋天線(xiàn)，使用平行雙線(xiàn)纏繞柱狀介質(zhì)棒而成，平行雙線(xiàn)是一種開(kāi)放式的傳輸線(xiàn)，其電場(chǎng)向外部延伸。當平行雙線(xiàn)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(xiàn)給雙線(xiàn)饋電，匹配變得至關(guān)重要，也成為本天線(xiàn)設計的一個(gè)難點(diǎn)，在非對稱(chēng)的同軸線(xiàn)與對稱(chēng)螺旋線(xiàn)之間需要用到對稱(chēng)轉換器(本文采用裂縫式對稱(chēng)轉換器)，其結構示意圖如圖1所示。

在柱坐標中，螺旋線(xiàn)位于半徑為r0的支撐桿表面上，螺旋線(xiàn)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(xiàn)分析以及性能的研究
雙臂螺旋天線(xiàn)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：