雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)的設計方案

一、引　　言

圓錐對數螺旋天線(xiàn)是一類(lèi)非頻變天線(xiàn).這類(lèi)天線(xiàn)結構緊湊，便于實(shí)現，常用作要求在寬頻帶內具有圓極化，全向輻射方向圖的衛星通信天線(xiàn).本文利用曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)，伽略金法檢驗的矩量法來(lái)分析雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn).一般情況下利用直線(xiàn)段展開(kāi)，伽略金法檢驗的矩量法來(lái)分析等角螺旋天線(xiàn)、阿基米德螺旋天線(xiàn)等這些具有高度曲線(xiàn)性的天線(xiàn)需要分許多段，這是由于需要用大量直線(xiàn)段來(lái)擬合曲線(xiàn)結構的快速變化.但是用于擬合的直線(xiàn)段數目已遠遠超過(guò)了用于精確表示線(xiàn)上電流的小段數目.本文采用由二次曲線(xiàn)確定的曲線(xiàn)段上的分域線(xiàn)性展開(kāi)函數——曲線(xiàn)段三角基，既能準確描述天線(xiàn)結構、又能精確表示和迅速準確計算天線(xiàn)線(xiàn)上電流.

對任何選定的圓錐對數螺旋天線(xiàn)，參數θ0，α，δ確定.同時(shí)決定天線(xiàn)結構的還有Rmin，Rmax以及臂數.雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)的結構如圖1所示：θ0—圓錐角；α—螺旋升角；d—圓錐截頂直徑；D—圓錐截底直徑；h—圓錐高；ρ0—從原點(diǎn)到截錐頂螺旋截面的矢徑；ρ1，ρ2—從原點(diǎn)到對數螺旋擴展臂兩邊緣的矢徑.

圖1　雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)的主要參數及坐標系統

二、曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗的矩量法

利用曲線(xiàn)三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗矩量法求解線(xiàn)天線(xiàn)的過(guò)程歸結為求下列矩陣方程組的解［1］

［Z］［I］=［V］

［I］=［I1,I2，…,IN］TN為電流矩陣，表示線(xiàn)上電流.［V］=［V1,V2，…，VN］TN為激勵矩陣，［Z］=［Zmn］N×N為阻抗矩陣.矩陣的詳細表示式以及曲線(xiàn)三角基展開(kāi)中有關(guān)矢量的表示式見(jiàn)文獻［2］.

三、雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)的矩量解

矩量法分析雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)(當然也適用于其它曲線(xiàn)型天線(xiàn))，一般分為三個(gè)步驟：

(1)描述天線(xiàn)結構，形成一種適合應用矩量法的數據結構.對于具有對稱(chēng)雙臂的曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn)(平面，錐形的等角或阿基米德螺旋天線(xiàn)或圓柱螺旋天線(xiàn)等)，一般將兩臂分為2N+1段，每臂分為N段，中間一段加激勵電壓源.這樣分段能夠利用天線(xiàn)結構的對稱(chēng)性，減少一半數組元素的計算，從而大大減少阻抗矩陣形成時(shí)間和求逆時(shí)間，計算的精度，速度有很大提高.分段方法如下(舉例為一臂分三段)：這里要注意：①三角基在天線(xiàn)兩端點(diǎn)處為0，這是為了符合天線(xiàn)臂兩端點(diǎn)處電流為0的條件.②曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)要求每小段再分兩段，因此一臂分段數為2N+2，兩臂共分4N+4段.③必須在每點(diǎn)處都求得矢徑，這樣才能計算出各種矢量，要將每點(diǎn)處矢徑的分量順序排列形成(4N+5)×3階二維數組.

圖2

(2)按照曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)，GALERKIN法檢驗的矩量法求解阻抗矩陣，并按中心對稱(chēng)矩陣的性質(zhì)簡(jiǎn)化運算，詳見(jiàn)文獻［2］.

(3)解阻抗矩陣(求逆)并與外加電壓矩陣作用，求出線(xiàn)上電流，進(jìn)而求得天線(xiàn)方向圖以及增益等參數.在第二步求解數組元素時(shí)，要做雙重積分.實(shí)際求解時(shí)，根據文獻［3］只用兩點(diǎn)高斯積分計算一次即可得到較好結果，不用進(jìn)行精度判斷，節省了大量時(shí)間.

四、計算結果

1.利用本文的程序計算平面阿基米德螺旋天線(xiàn)

平面阿基米德螺旋天線(xiàn)結構如圖3所示，工作頻率300MHz,臂長(cháng)12m臂半徑0.001m螺旋常數0.02.計算平面阿基米德螺旋天線(xiàn)并將結果和參考文獻［3］進(jìn)行對比可以得出結論：本文的計算程序適合計算曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn)，計算結果與文獻［3］的值吻合良好，具有足夠的精度.

圖3　(a)平面阿基米德螺旋天線(xiàn)結構；(b)天線(xiàn)電流分布；(c)天線(xiàn)方向圖；(d)天線(xiàn)軸比

2.利用本文的程序計算雙臂圓錐對數螺旋天線(xiàn)及實(shí)驗相比

工作頻率225～400MHz，臂半徑0.0025m，圓錐截底直徑0.42m，圓錐截底直徑0.01m半錐角19度，螺旋升角60度.

本文計算程序的計算結果與實(shí)驗值基本吻合，見(jiàn)表1.

3.利用本文的程序計算平面對數螺旋天線(xiàn)

圖4　(a)平面對數螺旋天線(xiàn)結構；(b)天線(xiàn)電流分布；(c)天線(xiàn)軸比；(d)天線(xiàn)方向圖

五、結　　論

本文論述的曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)，伽略金法檢驗的矩量法適用于分析曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn).包括平面阿基米德螺旋天線(xiàn)，平面對數螺旋天線(xiàn)，圓錐對數螺旋天線(xiàn)等.計算結果與文獻及實(shí)驗對比，吻合良好.同時(shí)計算速度很快.證明了這種方法的正確性和高效性.它的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)適用范圍廣.適用于圓錐螺旋天線(xiàn)及它的退化形式——平面螺旋天線(xiàn)及圓柱螺旋天線(xiàn).對于其他形式的雙臂曲線(xiàn)型天線(xiàn)也同樣適用.

(2)在保證精確擬合天線(xiàn)結構及描述線(xiàn)上電流的前提下，天線(xiàn)分段數目少，同時(shí)利用中心對稱(chēng)矩陣的性質(zhì)，所需計算的阻抗矩陣數組元素數目大大減少.大幅度減少計算量.

(3)計算阻抗矩陣數組元素時(shí)采用收斂快、精度高的高斯積分，僅用兩點(diǎn)積分計算一次，就能達到精度要求.速度成倍提高.