海事卫星通信螺旋天线的设计

海事卫星通信螺旋天线的设计 分类号 密级?? 单位代码幽 海事卫星通信螺旋天线的设计 周月 指导教师 房少军 职称 教授 学位授予单位 大连海事大学 申请学位级别 工学硕士 学科专业 信息与通信工程 论文完成日期 年月 答辩日期 年月 答辩委员会主席 季、考珍: 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果, 。除论文中已经 撰写成硕士学位论文 :壹蔓里星通焦蠼旌丞缉的逡盐:: 注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中 以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开 发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 , 学位论文作者签名:兰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到.《中国优秀博硕士 学位论文全文数据库》中国学术期刊光盘版电子杂志社、《中国学位论文 全文数据库》中国科学技术信息研究所等数据库中,并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于: 保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密留请在以上方框内打“?” 敝作者签名.乱导师签名. 日期:??;年摘要 摘要 螺旋天线拥有较高的增益和良好的圆极化等性能,因此被广泛的应用在通信 领域中。在海事卫星通信中,单元螺旋天线虽然拥有良好的圆极化性能,但是 其 增益依然难以满足系统提出的要求,而阵列螺旋天线则可以弥补这一缺陷。作者 提出了一种针对海事卫星通信的单元螺旋天线及阵列结构,并采用基于有限元法 的 软件对其进行了仿真优化,用安捷伦矢量网络分析仪对 该天线阵的回波损耗进行了测量,给出了螺旋天线的设计过程以及实验仿真结 果。论文主要包括以下内容: 首先基于轴向模螺旋天线的基本原理,针对圆柱形螺旋天线的结构模型,提 出了一种以变升角改善圆极化性能,以微带匹配段实现最优阻抗匹配的低剖面变 升角螺旋天线。之后使用微带功分器作为网络,用两圈的低剖面螺旋天线为单元 组成四元阵列天线,利用共地的方式减少功分器与天线间的互耦干扰,并用探针 穿孔连接功分器和天线。最后根据螺旋相移器的原理,通过调节天线与探针的旋 转实现螺旋单元天线之间的相位差,达到微波的定向辐射。为了减小重量和降低 损耗,整个阵列天线均使用低介电常数的介质。 关键词:海事卫星通信;螺旋天线;阵列天线;圆极化;轴向模阳 , . ,?., , ,,. , ,,. , , .. . ,. : ; ; ; ;目 录 目 录 第章绪论 .研究背景及意义?. .国内外研究现状及发展趋势. .本文研究内容及主要工作一 第章螺旋天线基本理论. .基本螺旋结构方程. ..一般螺旋天线参数方程?. ..锥形螺旋方程??.. ..球面和椭球面螺旋方程?. .螺旋天线辐射特性 ..螺旋天线的辐射场分析?. ..轴向模辐射 ..法向模辐射 .螺旋天线的匹配措施.本章小结? 第章单元螺旋天线设计 .单元螺旋天线的设计..螺旋天线的增益分析??. ..螺旋天线的频率分析??. .螺旋天线的仿真与制作? ..单元天线的结构? ..天线的性能和仿真分析?. ..螺旋天线的实验结果.本章小结? 第章阵列螺旋天线设计 .天线阵的方向性? ..阵列天线方向性分析??. ..单元方向性对阵列方向性的作用一目 录 .四元天线阵的设计与制作. ..馈电网络的设计?. ..天线阵的设计??. .四元天线阵波束扫描..螺旋移相器 ..天线阵的波束控制. .本章小结? 第章结束语参考文献 攻读学位期间公开发表的论文、专利及奖励致射. 研究生履历海事卫星通信的螺旋天线设计 第章绪论 本章简要阐述了论文研究的背景和意义,并总结出常见的螺旋天线结构及研 究成果,在此基础上分析了螺旋天线及其阵列天线的发展趋势。最后给出了 论文 的主要内容和章节安排。 .研究背景及意义 随着方程的演这个和电磁振荡规律的发现;年,提出 了“同步”的概念,即当发射和接收的频率相同的时候接收信号最大,并提出 了球形、双圆锥等偶极天线。年,利用几十根线结构组成的倒锥形 与大地构成了单级天线圈经行发射和接受。年,对的天线结构 使用了新的馈电方式】,这是首次将过渡馈电方式应用在传输线和辐射单元 之 间。 螺旋天线常被作为海事卫星通信的前端部件,在整个通信系统中占有着非常 重要的地位。信息技术的飞速发展,使得现代通信设备不断升级,通信容量不 断 加大,通信载体上集中了越来越多的满足不同需要的天线。根据不同的应用需求, 海事通信系统天线有多种形式,主要包括微带、单臂螺旋、双臂螺旋、四臂螺旋 天线及以不同形式单元组成的天线阵列等。为了提高系统性能,天线必须要有合 理的物理结构和优良的天线性能,并在追求性能的同时节约成本。天线的尺寸基 本决定了无线通信设备的大小,因此在现在追求通信设备小型化的大潮中,还存 在着提高性能的同时进一步减小该设备相关天线尺寸的需求。随着提出 了螺旋天线【】,并由后人不断的改进与创新,使得螺旋天线以其体积小、重量轻、 便于伪装等特点在军用和民用等方面都得到了广泛的应用】。螺旋天线便于组 阵,为了方便螺旋天线组阵以及减小阵元之间互耦的影响,各馈电单元除了要满 足一定的要求外,在物理结构上还要满足径向尺寸和轴向高度的相关约束【,为 此学者们进行了大量的研究工作。 在现今的无线通讯中,随着海陆空全方位的海事卫星移动通信的迅速发展, 使得螺旋天线拥有极大的应用前景。在卫星通信复杂多变的系统中,天线的 增益 与极化特性显得尤为重要,螺旋天线拥有着较高的增益和良好的圆极化特性,不第章绪论 仅能够抑制雨雾干扰和抗多径反射,而且对运动中的物体也能够接受到无线电信 号。螺旋天线易于组阵,其柱状姿态使得组阵的方式更加多样化‘,在卫星通信 中螺旋天线阵有更高的增益,同时配合精确的功分器还能得到良好的圆极化特 性,这使得螺旋天线在卫星通信中应用非常广泛【。 另外,随着无线通信设备使用的增加,频谱资源变得日益稀缺,这就要求无 线通信设备必须具有能够接受多个频带信号的天线。螺旋天线可以通过径向尺寸 的和螺距的复用嵌套等方法实现多频通信。此外螺旋天线还拥有较强的波束指向 控制能力,因此研究圆极化螺旋天线拥有着重要的现实意义。 ..是第一个将螺旋思想引用到天线结构中的人,并通过大量的 试验总结出了螺旋天线的一般特性和工作模式。在螺旋天线设计过程中所要考虑 的问题,包括螺旋结构变化和螺旋天线的基本指标;对于单元螺旋天线组阵的设 计中,考虑到互耦作用的相关距离也十分重要。螺旋天线有着自己明显独特 的结 构,螺旋这种三维几何形式拥有直线、圆柱和圆三种几何特征【。螺旋线是一个 距离轴线以一定长度的点并等速率螺旋上升所留下的轨迹。在等螺距的情况下, 将一圈螺旋展开后会形成~一个三角型,在变螺距的情况下,会展开形斜边为指数 曲线的三角形。 . 对螺旋天线的分析又可以看成是对环天线和偶极子的分析,这是因为当螺距 等于零时,天线将退化为一个环;此时可以视为一个环天线。又当升角为。 的时候,此时的天线变成一条长导体,可视为偶极子。所以螺旋天线拥有环和偶 极子两者的特性,并且其远场方向性图也非常相似。此外,螺旋天线的旋向也分 左旋和右旋之分。 海事卫星通信能够提供全球、全天候、全方位的海陆空卫星移动通信和遇险 安全通信的通信系统。第四代海事卫星通信。? 业务吸取、兼容了的通信优势,在卫星通信中为用户提供高速率 的移动宽带服务。该业务在中国投入使用以来,为我国边远地区通信和应急通信 发挥了巨大作用。近年来,“动中通”海事卫星通信需求旺盛、发展迅速, 具有 极大的应用前景。为了满足“动中通”卫星通信对终端设备的要求,需要终端天 线具有低剖面、轻重量、高增益、宽频带等特点?。 ,海事卫星通信的螺旋天线设计 。国内外研究现状及发展趋势 螺旋天线最早由提出,主要存在法向和轴向两种辐射模式 。轴向模 螺旋天线由于具有宽频带、高增益和低轴比等特点,使其在卫星通信中得到了广 泛应用。因此,许多学者对轴向模螺旋天线进行了大量的分析和试验研究,文献 四给出了优化设计传统螺旋天线的参考数据和图表。一般而言,根据设计需求, 首先选择合适的周长和螺距,然后通过增加螺旋圈数来达到提高增益的目的,但 这样势必会让天线高度增大。文献【】研究了螺旋天线上的电流分布,提出在电 流的节点处截断,采用少数圈螺旋结构能够降低天线高度。文献【】提出了指数 渐变螺距可以改善天线圆极化特性。相类似,文献【也提到采用变升角的方法, 可以改善轴向模螺旋天线的增益,但也仅是分析了正升角对天线影响,没有 给出 负升角的情况。在变升角的基础上,文献‘提出利用寄生螺旋线来改善轴向模 螺旋天线辐射,但是结构复杂,并且在螺旋圈数较少的情况下无法附加寄生单元。 目前对于螺旋天线的研究主要是趋于小型化、宽带化和多模化。所谓的天线 小型化和宽带化就是要通过重新设计天线的结构,在减小天线体积的同时增大其 工作频率带宽。众所周知,天线的体积与其工作波长密切相关,这就是说,如果 天线要减小尺寸,那么就会牺牲某些性能。小尺寸天线其工作带宽也较窄,因此, 天线的体积尺寸的大小受到它所允许的最小工作频带宽度的限制‘】。当然,只 要客观条件许可,我们也可在天线电指标与其尺寸之间取得折衷,牺牲某些方面 的性能指标来实现天线的小型化和宽带化】。如何选择合适的天线形式和尺寸, 以实现相应的设计要求,需要进行认真的分析和设计。常用的天线小型化方法就 是介质加载,文酬提出了一种加载介质的双线,天线通过加载聚四 氟乙烯螺旋杆 .降低了天线的尺寸%,同时天线的波束宽度 达到度,阻抗带宽。 第章绪论 匹配擎璺 《;饿一?一?一?一 姑?? 最稻辊翻 恻商视酲 图.介质加载双线螺旋 . 文献‘给出了一种应用于卫星通信的双圆极化四臂螺旋天线,如图 .所示,利用螺旋天线四臂折叠的方法减少了%的体积,这种折叠螺旋臂的 方法可以有效的解决天线小型化的问题。 图.应用于卫星通信的四臂螺旋天线 . 文献‘研究了一种用于陆地和 通信的双模四臂螺旋天线,运用顶部 馈电和侧面馈电两种馈电方式,当侧向馈电处于工作状态的时候,四壁螺旋 天线 处于无激励状态,此时的天线所辐射的是线极化并为陆地模式。在卫星通信 下天 线以顶部馈电并产生圆极化,同时取消侧向馈电。四壁螺旋天线工作在 .卫星通信下。有实验得到陆地模式下天线带宽为并且 接近全向辐射,卫星模式下带宽。 海事卫星通信的螺旋天线设计 图.双模四臂螺旋天线 . 文献【介绍了一种紧凑型高增益圆极化螺旋天线,天线的实物如图.所 示,地板采用长和宽为,高度为的倒形。天线的增益曲线图. 所示,天线的锥形地板可以提高增益约。 图.锥形地板螺旋天线 . 图.天线增益曲线. 第章绪论 文酬提出了一种正旋波曲折臂阿基米德螺旋天线如图.所示,以正弦波 的方式伸展阿基米德螺旋线可以在不改变螺旋线半径的情况下最大限度的 提高 天线臂的电长度,便于天线的集成化,同时提高阿基米德螺旋天线的远场特 性。 仿真和测量结果表明在~的频率范围内,与传统的阿基米德螺旋天 线相比,正弦波曲折臂阿基米德螺旋天线口径面积减少了%。 图.正弦曲折臂网基米德螺旋天线 ? . 曲线天线可以有效地降低天线高度,在工程中有着十分广泛应用,因此,研 究曲线天线的快速计算相设计有着重要的意义。传统的矩量法‘采用直线段 划分,因此不利于求解圆柱螺旋天线,为解决曲线天线的计算方法.. 。 提出了一种基于合成基函数和合成检验函数的矩量法求解曲线天线的方法 .本文研究内容及主要工作 主要研究内容是在满足低剖面的要求下,即限制天线高度的情况下,通过研 究螺旋的正、负升角对天线的作用规律,得到最优的圆极化辐射性能;然后通过 微带匹配段实现最优的阻抗性能,给出一套低剖面变升角螺旋天线的设计方法。 基于此方法,设计出应用于海事卫星通信的低剖面螺旋天线,要求将天线总高度 ~ 限制在以下,工作频段 .,中心频率 。在单元天 线实现良好性能的前提下,将单元天线配合功分网络组合成四元螺旋天线阵。在海事卫星通信的螺旋天线设计 四元天线阵中设计了一款一分四的等功分网络。更进一步的,在此处的设计中, 利用螺旋天线的自旋特点配合功分网络的相移功能,将天线自旋相位差和功分相 位差叠加,实现了螺旋天线阵的波束扫描的功能。最后对所设计的天线进行实际 的加工和测试,并对测试结果进行分析。 论文各个章节分布和内容及结构如下: 第一章绪论。简要阐述了螺旋天线及其阵列的相关应用,归纳了在卫星通信 系统中螺旋天线的重要作用,总结了现有螺旋天线的结构及工作模式,在此基础 上分析了螺旋天线及其阵列的发展趋势,简述论文的研究意义和内容。 第二章螺旋天线的基本理论。介绍了几种常见螺旋天线结构的相关参数方 程,分析了螺旋天线的基本参数和辐射原理。 第三章具体分析了螺旋天线的相关参数,提出了一种片状低剖面变升角螺旋 天线。天线总高度控制在以内,天线主体采用微带铜箔以便减小天线的重 量。将铜箔粘附在半径为的圆柱型介质泡沫外壁,这种结构拥有重量轻、 低成本和易于固定等优点。在馈电部分采用介电常数约为.的介质垫片支撑的 微带贴片实现馈电匹配,并对所设计的天线进行软件仿真,分析了天线的结构对 性能的影响。在此基础上指出了实现短螺旋天线良好圆极化的方法,分析了多种 影响因素。 第四章螺旋天线矩形阵列。利用阵列天线相关设计的理论知识,将螺旋天线 组合成一个四元螺旋天线阵。此时所设计的螺旋天线阵能够根据理论实现波束指 向功能。最后运用型功分器的相关原理,设计了一个微带功分器作为阵列天 线的馈电网络。此功分器采用双面板制作,在功能上要实现等功分和相移, 并且在结构上有一定的对称性。 第五章结束语。对全文进行了总结,并对今后的工作进行了展望。海事卫星通信螺旋天线的设计 第章螺旋天线基本理论 ..是第一个将螺旋思想引用到天线结构中的人,并通过大量的试 验总结出了螺旋天线的一般特性和工作模式。本章首先介绍了对螺旋天线设计过 程中所要考虑的问题,包括螺旋数学表达式的变化和螺旋天线的基本指标:其次, 对螺旋天线的基本辐射理论进行了分析,为随后的螺旋天线以及阵列天线设计做 准备。 .基本螺旋结构方程 螺旋这种三维几何形式拥有直线、圆柱和圆的几何特征。它是一个距离轴线 以一定长度的点并等速率螺旋上升所留下的轨迹。螺旋天线本身的物理形态又可 以分成线型缠绕和片型缠绕,并且都是由导电良好的金属物质构成。这两种缠绕 形态都拥有各自的优势,线型缠绕形态由于其本身是具有一定硬度的金属线缠绕 而成的,通常拥有良好的稳定性和抗变形能力。片型缠绕是用一定宽度的金属铜 箔附着在某一形状的表面而形成的,这种结构拥有造价低和重量轻等优点。 《粼 国龟墓鬈譬:》‖ 图.螺旋以及展开结构..螺旋示意如图.所示。在等螺距的情况下,将一圈螺 旋展开后会形成一 个三角型如图.。在变螺距的情况下,展开后的三角形应为斜边三角形并且 斜边为一条指数曲线。在螺旋天线中有一些重要的尺寸定义如下:第章螺旋 天线基本理论 表.螺旋天线中基本的尺寸定义。 .. 量纲 符号 尺 螺旋半径 周长 斌 螺距 升角 口/ 螺旋圈数 螺旋轴长 起始升角 % 终止升角 口 即 时,天线将退化为一个环;又当即。的时候,天线可视为是偶 极子。所以螺旋天线拥有环和偶极子两者的特性,其远场方向性图也非常相 似。 螺旋天线的表达式有很多种,其中包括极坐标方程和参数方程,而对于参数 方程中的参数所表示的变量不同则相应的参数方程也不同,这里将螺旋旋转弧度 眨,, 照‰卅 其中 . ,兰? 在公式.中,为弧度并且取值范围在,州之间,?为螺旋圈数, 口是螺旋升角。和分别是螺旋天线半径的长短轴如图.。海事卫星通信的螺旋天线设计 式.系数.和:是无穷级数,一般近似取值。 铲一睁蔷篆... 七,‘式.中的为奇异常数,并且与螺旋长短轴相关。 . 长短轴和在相同时的法向视角是一个圆,在不相同时为椭圆,对应的螺 旋天线就是圆柱螺旋天线和椭圆螺旋天线。这里长轴和短轴的区分是根据馈电的 位置和方式不同而定义的,一般定义馈电点所在的轴为长轴。式.中为 控制螺距的虚拟螺旋半径,一般情况下与长轴相等。 图.螺旋半径 .. 对于变升角方程,轴的参数方程添加升角对参数的变化量 亿, ?咖卜即砧赤 这里和分别为起始升角和终止升角,在螺旋半径不变的情况下天线的 高度仅仅取决于。这时因为的取值范围在,,之问,当取最大值时 轴参数方程与无关,也正因此,在仿真中对变升角的调节非常灵活。 ..锥形螺旋方程 锥形螺旋如图.所示,依然以弧度为参数。其方程表示如下: 第章螺旋天线基本理论 丽岫 . 】,尺丽 口?, 其中尺和分别是锥形的大半径和小半径。锥形螺旋天线同样可以控制升角 实现变升角螺旋天线的设计。如果将轴参数和轴参数方程中的尺和,分别 取不同的两组值,此时所描绘的图形就是椭圆切面锥形螺旋。 幽.锥彤螺旋大线 .. 锥面螺旋天线是对柱面螺旋天线的一种变形,文献例在拥有传统螺旋天线 高增益宽频带等优点外,它还拥有抑制旁瓣的方向性图。当升角越大则方向 性 图越宽,侧向辐射加强。越小方向性图越窄。另外,如果要实现变升角,只需 对引入参数变量。 ..球面和椭球面螺旋方程 在椭球面螺旋方程中参数的取值范围是,尺,同时也可以引入变升角 的参量得到变升角球面螺旋天线的参数方程。海事卫星通信螺旋天线的设计 . ,二刀? / 地州旰%,去封去 球面螺旋天线结构如图.所示。 图.球曲蝶旋大线.. 球面螺旋天线与传统的柱面螺旋天线相比拥有一些显著的优势‘】。首先, 球面螺旋天线的极化特性要优于传统的螺旋天线 。其次,由于天线的高度就 是它的半径,所以在结构上球面螺旋天线要比柱面螺旋天线体积小。在目前 的通 信系统中,天线的小型化是一个非常重要的研究内容,所以球面螺旋天线有 着它 独特的优势‘。 .螺旋天线辐射特性 单绕螺旋天线有两种辐射模式,分别是轴向模和法向模。当螺旋天线周长由 小到大即螺旋天线由细到粗时,其辐射模式是从法向模逐渐变化到轴向模。 在设第章螺旋天线基本理论 计时,法向模的周长一般是/,此时最大辐射方向与天线轴向垂直,也 称为边射模式。当//时,天线的主辐射方向为轴向,也称端射螺 旋天线。 由于有着显著和独特的性能,螺旋天线己被广泛地应用在过去的五十年中。 事实上对螺旋天线严谨的数学分析是极其复杂的,在结构上也不像偶极子和环天 线的结构简单,因此对于螺旋天线的辐射特性,如增益、远场图形、轴比和输入 阻抗的研究多使用的是实验的方法【”】,以近似的分析技术经行数值分析。本章 也对螺旋天线基本的辐射性能进行分析】。 ..螺旋天线的辐射场分析 螺旋天线通常分成圆柱型螺旋天线、圆锥形螺旋天线和平面螺旋天线等‘饥, 这主要是因其外在轮廓而定义的。其中圆柱型螺旋天线最为普遍。螺旋天线最重 要的参数是直径和波长的比值/,这将影响天线的辐射模式。当直径与波长 的比值比值小于. 时,天线的主射方向与螺旋天线轴相互垂直,这种工作模 式称为法向榭明;当该比值在...之间时,天线的最大辐射方向在天线中轴 上,这中工作模式称为轴向模:当该比值继续增大时,天线的辐射逐渐趋于圆锥 状。通常在阵列中使用轴向模工作的圆柱形螺旋天线,这种阵列螺旋天线广泛的 应用于海事卫星通讯中。 美国科学家 .于年在试验中发现了螺旋天线辐射电磁波的 能力,并在此后对其辐射特性经行了大量的研究‘,同时也总结出了多个经验 公式,由于当时以经验得出了螺旋天线圆极化性能是随着螺旋圈数的增加而改善 的,所以之后人们就普遍认为短螺旋天线得不到良好的圆极化性能。随着众多学 者对螺旋天线研究的深入,也得出了一些新的内容。.等学者发现天线 具有衰变电流分布,这种情况下即便是短螺旋天线,仍然能够得到较好的圆极化 辐射‘。 经过计算发现,螺旋天线上的电流分布大致可分为两段,即域和域?。 电流从馈电点进入天线后此时属于近馈电的区域,其电流幅度逐渐减小直到 减小到一个最小值,以此为分界点,之后就进入区域。在区域可以明显的海事卫星通信螺旋天线的设计 发现电流的幅度是很小而且变化平缓。由于近馈电区域相比螺旋的总长度来说是 很小的一部分,所以螺旋中的电流可以被视为等幅传输的行波‘。由这个近似 出发,就可以得出轴向模螺旋天线的远场分析。 一.口勺,蛋一避靶 眨,, 邢 ? 蚓// 球沈帅一?雕~袱一鼢帮?第章螺旋天线基本理论 电流分布可以写为: . 西 其中,,从螺旋线起始点到任意点的长度。矽任意点的方位角坐标。 彳妒歹妒三口螺旋线上任意点的单位矢量。 . :粤 式中岛螺旋线总长度,矿波沿着螺旋线传播的相速相对于光速。 . 亨 璃 ;得以得到空间中任意点处的磁场矢量为 汜, ‘聊 觚警 其中,“,?,口为螺旋半径。 至此可以由磁场得出电场岛和毛: . 易珥风‖卯 . 少一只少 瓦一 对于螺旋天线的圆极化辐射原因可以通过电流的相位分析得出。以轴向模螺 旋天线为例,其周长与波长之比/旯,螺旋天线内部电流近似为行波。为了 方便分析,先取出螺旋天线的一圈作为观察对象,并忽略螺距角近似视为一 个圆 环且长度约等于五。在圆环上分别取四段微元、、、,每段微元的电流大 小口。,电流方向为微元的切线方向,并将四段微元的电流分别以 轴和轴方向经行拆分。假设在,时刻圆环上的电流如图.中所示, 在/之后的另一时刻电流分布如图.中所示。海事卫星通信螺旋天线的设计 南海 ,”寺 图.螺旋天线上的电流相位 .. 分析电流变化可以看出的是在时刻,四段微元在轴方向上的电流分量 相互抵消,而在轴方向上的电流分量是同向叠加的,因此在.这一时刻上, 圆环上所有微元所产生的电场仅含有分量;而在四分之一个周期后,也就是 /的时刻,方向上的电流相互抵消,方向上电流相互叠加,总的电 流方向只有方向。从这个变化中可以看出的是电场在四分之一个周期内旋转 了。。由于圆环内的电流是以行波的状态不断传播的,所以在这种情况下所 产生的电场也是绕轴方向不断旋转的,进而形成圆极化场。 以上分析所得出的是单圈螺旋的场分析,证明其轴向是可以产生圆极化辐射 场的,但在实际中,螺旋天线是由多个螺旋圈所组成的,并且螺距使得每个螺旋 都处在不同的层面上,这势必会影响天线的极化辐射,但是如果保持每一圈的首 个微元和下一圈的首个微元的相位差为刀,那么在螺旋天线的轴向方向上仍然 是可以实现圆极化辐射的。这两圈之间的相位差,也就是基于电流相差的场的相 差,是由两部分组成的,首先可以计算出螺旋圈的起始和终点的相位差是导万; 其次是由螺距引起的相位差即要牙。若要保持轴向上的圆极化和最大辐射,那 / 么就得到?:.万。 第章螺旋天线基本理论 七剐 捌份垃%, 七, 脚形淼亩 . :?鹦黑 器割。.。 亨甜唧比。海事卫星通信螺旋天线的设计 . ??尘 . 乞耐署斫等协臼 . 岛 :二 刀 艘丙一叫酱分晓,第章螺旋天线基本理论 当三堡:时 ?胚 . 此时,电场分量岛玛,合成场瓴佤为圆极化。 图.法向模螺旋天线等效为环和偶极子 .. 式.是产生圆极化波的条件,法向模的圆极化是一种全向圆极化,也 就是除了方向之外其他方向上都是圆极化波。 从图.中可以得出 . 兰和: 对于法向模圆极化螺旋天线,由式.和.可以得出 一 . 于是,圆极化螺旋天线螺距为 他五 \旯 :?一厮十?厢海事卫星通信螺旋天线的设计 在天线设计中,螺距的调节一般是通过升角来完成的,所以圆极化螺距要进 一步变成圆极化升角,由式.和式.得出圆极化升角为 ? . 口:一 这样的理论推到都是基于整个螺旋天线的电流等幅同相的情况下,而这通常 出现在小型螺旋天线上,这种天线一般辐射效率较低带宽较窄。因此在实际 应用 中有诸多的限制。 .螺旋天线的匹配措施 螺旋天线的匹配有多种方式,根据天线的形状与馈电方式不同而有所变化。 常见的形状包括圆柱型螺旋天线,锥形和球面型螺旋天线等。根据阻抗的经 验公 式 . .? / 根据公式.可以看出螺旋天线的阻抗通常会在欧姆左右,这就需要额 外的阻抗匹配方式。匹配措施与馈电方式息息相关,常见的两种馈电方式分 别为 中心馈电【跚和侧向馈科。 首先以中心馈电的螺旋天线为例,由于这种馈电方式使得馈电点螺旋中轴上, 需要一段螺旋线延伸到螺旋周边进而完成旋转,所以中心馈电下的匹配多选择在 延伸线上实施。最常用的做法是以矩形微带铜箔在螺旋延伸臂上进行匹配的调 节。图.所示的是中心馈电的球面螺旋天线,选用矩形微带的匹配方式,通过 调节矩形微带匹配片的长宽以及距离中心点的位置来调节阻抗的虚部和实部。这 种馈电方式能够有效的展宽阻抗带宽删。第章螺旋天线基本理论 图.自适应匹配球面螺旋天线 ..其次在侧向馈电的螺旋天线上常用的匹配措施为过度匹配【?。以三角型铜 箔连接馈电同轴和螺旋天线,三角铜箔以阻抗渐变的方式实现螺旋天线的阻抗匹 配。 .本章小结 本章主要根据几种常见的螺旋天线的结构对螺旋方程经行总结,并加入变升 角参量,同时分析了螺旋天线的两种辐射模式,即轴向模和法向模。最后对螺旋 天线的远场加以分析,根据电流分布以及相位变化总结了圆极化辐射原理,为螺 旋天线设计做出了理论铺垫。海事卫星通信螺旋天线的设计 第章单元螺旋天线设计 本章所要介绍的是一种变升角地剖面螺旋天线,天线的本体采用铜箔绕成, 并附以微带实现匹配功能,为实现低剖面的特性将天线的高度最小化,使得天线 的圆极化性能受到限制。为此,引入变升角改善天线的圆极化性能。在阻抗匹配 上则通过调节微带匹配片来实现,这种微带匹配的方法在低剖面的天线中非常实 用。此天线制作简单造价低廉。 .单元螺旋天线的设计 根据第二章中提到的螺旋天线的基础理论可知:螺旋天线再设计之初就必须 先确定天线的周长和高度,天线的周长与频率有关,用周长与波长的比值 来确定,轴向模辐射一般这个值的取值范围在.到.之间,为了最初设计的 简便通常是选择,这个值的选取会在接下来的讨论中给出解释。另外螺旋 天线的高度将决定天线的增益,而高度又是由螺旋圈数和每一圈的升角所决定, 所以在选择高度的时候必须兼顾到螺旋的升角。升角在很大程度上影响着螺旋天 线的圆极化性能,因此在设计过程中就因提前考虑到升角并留有冗余。 短螺旋天线如图所示,只要合理的设计就可以使其辐射出良好的圆极化波 图.螺旋天线侧面结构不意 .. 当周长、螺距、圈数基本确定在大致范围内后就可以依据螺旋天线的结构选 择不同的匹配方式。螺旋天线的匹配大致分为侧向馈电和中心馈电两种,侧向馈 电通常是微带巴伦或是微带渐变的方式。中心馈电多用微带巴伦实现,但是这种 馈电方式会增加天线的整体复杂度并且会引入损耗。本次螺旋天线的匹配方式选 择为微带条匹配,这是考虑到螺旋天线本身是采用宽度为的铜箔绕制而成, ,气第章单元螺旋天线设计 因此在匹配上可以采用一体化的方式采用带条匹配。最后在以介质作为支撑将匹 配段和天线叠层垫起放置。 ..螺旋天线的增益分析 螺旋天线是一种高增益的天线,通常情况下一个圈数为两圈的螺旋天线,其 增益就可以达到,而增加螺旋天线增益的办法就是增加螺旋的轴长工。螺旋 周长是由两部分组成的,这两部分是螺旋圈数?和螺距,其三者之间的关系即: . 增加螺旋圈数?和螺距都能起到增加轴长,但是对于增加增益来说螺旋 圈数的增加无疑是更重要的。虽然圈数的增加能够达到较高的增益,但是一 味的 增加圈数还会使频带变窄。螺距的选取也有一定的范围,通常螺距的最佳范 围满 足在时.~.,相当于螺旋升角。~。,但是这也仅仅是一个 传统意义上的范围,实际上螺旋升角可以小到如所记载 的。,也可以大到所记载的。,具体的旋转应该根据实际情况的需要。 根据上一节说到的轴向模螺旋天线的设计方法,螺旋天线的周长应该满足 ..。螺旋天线的增益在天线中心频率带宽内是随变化的,天线增益 的最大值出现在。的可操作范围的上限,即?.~。:另外,影响螺旋天线 增益的因素还包括地面反射板的大小,通常所用的地面反射板为方形或者是 圆 形,对于圆形的地面反射板其半径应该大于.厶,而方形的地面反射板边长应 大于.凡,如果反射板太小不经会使天线的增益减少而且会降低圆极化性能。 一个螺旋天线增益与轴长之间关系的经验公式为: . %厶】 公式.所描述的是在等升角螺旋天线的情况下,升角口的范围 。口。,..,并且。首先建立一个轴向模等升角螺旋天线, 圈数为,周长波长比为.,轴长与波长比为.。由此带入公式.并估 算此天线所能达到的增益峰值,得到增益最大值为.。并且经仿真得到其 ,海事卫星通信螺旋天线的设计 方向性如图.所示,增益峰值为,与估算值相差.,已是非常接近。 匝 图.经验公式.对应螺旋天线的增益. .. 另一个增益与轴长之间的经验公式为: . %招..一. 建立一个轴向模等升角螺旋天线,半径为一个波长,圈数为圈,总高度为 ,中心频率.。由此可以得出。.,带入公式.估算此螺 旋天线的增益为.。对此天线进行仿真所得增益数据如图.所示,增益 峰值为,这与估算值非常接近。 ? ? 图.经验公式.对应螺旋天线的增益够。. .. 第章单元螺旋天线设计 虽然公式.与公式.都能够对螺旋天线的增益起到一定的预算作 用,但是应用的情况有所不同。公式.通常应用在多圈数大轴长的螺旋天 线中,而公式.则多用在圈数??的情况下。 ..螺旋天线的频率分析 螺旋天线的周长是和天线的中心频率是密切相关的,对于周长的控制也就是 对天线频率的控制,同时也是对天线方向性的控制,所以对于周长的研究是 非常 重要的。 建立一个辐射模式为轴向模的螺旋天线的模型,中心频率为.,等升 角,螺旋周长用表示,螺旋半径用表示,在这个天线的基础上改变进而 起到观察的作用,这个过程中首先要保持不变的是螺旋升角,升角太小会产 生严重的互耦作用,这会使天线的阻抗出现扰动起伏,无法准确的观察周长 对阻 抗的影响。升角太大难以使螺旋天线产生好的圆极化性能。 表.螺旋天线半径的取值 .. . . . . . . . . 表格.所列出的不同情况对螺旋天线进行仿真观察,其中为螺旋半径, 是周长与波长五的比值。 首先来观察小于的数据情况。分别对、、、 经行仿真,并对结果观察天线的阻抗如图.所示。图中所绘制的是天线阻抗虚 部的四条曲线,分别标记峰值为、、、。可见随着半径的逐渐增加, 阻抗虚部向低频移动,在半径的时候,阻抗虚部峰值在左右, 但是此时的螺旋天线辐射接近法向模模式,已经超出了轴向模辐射的研究范 围, 因此不符合轴向模的条件。对于的螺旋天线阻抗虚部曲线来看,波 峰距离中心频率只有,此时的驻波比是难以实现匹配的。为了让这海事卫星 通信螺旋天线的设计 个峰值避开中心频率的带宽范围,只有在大于之后才能在频率带宽内 没有虚部峰值,这才使驻波比有可能实现良好的匹配。同时还应该注意到在 .处开始出现波峰的形成,随着螺旋半径的增加这些波峰也会逐渐进入到 中心频率的带宽内。 二训 墨 』?以 ‘烈 .‖ 么 一 ? 厂\。 厂旷旷一,, ,,图.螺旋天线的阻抗虚部 .. 从增益和轴比的角度来观察,从图和图.所示的增益与轴比曲线来看, 在螺旋半径的时候天线的方向性图开始出现副瓣,在的时候增 益下降,轴比在小于的轴比曲线说明天线的辐射已经不再是圆极化。 至此,可以得到一个清晰的结论,即是.时轴向模辐射螺旋天线 设计的一个半径下限,从周长的角度看可知.是本次设计的下限。 馆? 日划薛 口弗?坦?侣博 图.螺旋天线的增益舻。 .. 第章单元螺旋天线设计 图.螺旋天线的轴比够。 .. 下面继续观察螺旋半径、、、的情况。依然是先 看阻抗虚部如图.所示。在螺旋半径逐渐增加时,阻抗虚部的波峰依旧逐渐向 低频移动,而之前.处出现的波峰此时已经进入到中心频率的带宽内。波 峰进入带宽是不能利用的,可利用的是两个波峰之间那段相对平坦的区域。 随着 半径的增加与其说是波峰的移动不如说是这段平坦的可利用的区域的移动。 从图 中看要想得到好的驻波比那么螺旋半径就应该小于,这对应到周长上就是 .,但是这个比值有些勉强偏高。图.螺旋天线的阻抗虚部 .. 虽然通过调整螺旋半径就一定能够在阻抗上找到一段可利用的区域,但是从 海事卫星通信螺旋天线的设计 增益图.和轴比图.曲线图中得出的结论是并不是所有的半径都能够 使用,在螺旋半径大于以后天线辐射增益下降并且圆极化性能也大幅 下降。天线增益在和的时候基本不变,再螺旋半径增长到 以后,增益不仅下降了而且开始出现了副瓣。从轴比曲线图中同样可以看 出在螺旋半径在大于之后,天线的辐射方向性已经不能算所是圆极化了, 所以即..是本次轴向模圆极化螺旋天线设计的上限。 百. 襄一 . . . . . . 图.螺旋天线的增益。..图.螺旋天线的轴比妒。 .. 至此便可以证明,在轴向模螺旋天线中的螺旋周长有一定的取值范围, 第章单元螺旋天线设计 而这个范围应该在到之间,那么对应到上就是.., 为了使这个范围更加保守与普遍化可以将的范围定在..。从而可 知在螺旋天线的设计之初,为了方便就可以将天线的周长定在一个波长上, 之后 在优化的过程当中经行调整。 .螺旋天线的仿真与制作 ..单元天线的结构 设计的短螺旋天线结构如图.所示,这种天线结构简单,易于制作并且 拥有良好的驻波比和辐射性能。 图.螺旋天线的结构 .. 天线分为三个部分,最下层是馈电层由馈电接口焊接在圆形铜片上,铜片中 心打孔使得同轴馈电与天线相连。中间一层为馈电匹配层,包括介质垫片和匹配 .,匹配片的长度和宽度分别为 带条。介质垫片采用聚乙烯发泡介电常数 和,这段匹配片的宽度调整可以使得天线的中心工作频率实现良好的驻波比。 海事卫星通信的螺旋天线设计 和,这段匹配片的宽度调整可以使得天线的中心工作频率实现良好的驻波比。 天线部分采用的支撑介质材料为高压聚苯乙烯泡沫,其作用就在于支撑 由铜箔绕制而成的天线本体。螺旋天线为了更好的圆极化性能采用了变升角来实 现。 螺旋天线的结构方程为: . , 【口一口/ 其中为螺旋半径,是螺旋天线的起始升角,,是螺旋的终止升角,终 止升角的另外一个作用是限制螺旋的高度,即在两个升角中只有?,是决定天线 的高度。由于采用了变升角所以在公式中用‖%一%体现了升角对螺旋圈数的 变换,用来表示升角的渐变性。当口小于零时,螺旋的升角依据圈数的增加逐渐 降低,这里称之为负升角。当口大于零时,螺旋的升角是随着圈数的增加而逐渐 增加的,称之为正升角。对于升角的优化主要是作用于天线的圆极化性能,而对 于究竟是选择正升角还是负升角并没有一定之分。也就是说升角的调节要视情况 而定,不同的情况下对升角的调节是不同的。在天线的最初粗略估计完成并在 等仿真软件中进行仿真时,由于初始的估计中螺距的选择不同,使得在后 期天线优化的时候所选择的升角策略产生差异。 ..天线的性能和仿真分析 在等仿真软件中完成建模之后,就要对天线进行仿真工作,方法有很 多,但是由于螺旋天线的远场性能主要取决于螺旋本身,而驻波比等性能则主要 依靠匹配技术的调节,所以本次设计是依据先远场后匹配的顺序进行的。在应用 于海事卫星通信中,要求螺旋天线重量轻,体积小。针对这些要求提出了短螺旋 天线,但是这就势必要牺牲一些天线的增益。在应用中为了既要实现短天线 的结 构又要实现高增益,于是又提出了短螺旋天线组阵的设计。所以在短螺旋天线的 设计中对增益的要求不用太苛刻。 在螺旋圈数为圈的短螺旋天线中,首先要优化的是天线的圆极化性能,这 主要是从螺旋升角着手,升角的调节不仅影响着天线的极化特性,同时对于天线 第章单元螺旋天线设计 的驻波比也有一定的影响,这也是将匹配的仿真优化放在下一步的原因。首先, 将螺旋天线设置为等升角,找出轴比最优时的升角值。如图.,其中所描绘的 是螺旋终止升角当单独说到终止升角时意味着是以为升角的等升角螺旋 天线分别等于、和时候的轴比曲线。可见轴比在为最优。 ‘一,一,。’‘?? , 图.螺旋大线的轴比?。.. 其次,引入变升角变量口,进一步优化螺旋天线的圆极化性能。对于变升角 在天线中几何变化如图.所示,将两圈螺旋天线展开即为三角形,段是螺 旋的第一圈,是第二圈。起始升角为螺旋线起始点处的切线夹角,随着螺 旋线升角逐渐由%例减小,到达点处升角为驭,之后继续减小继而回到终 止升角处。 』。 图.螺旋天线展开 .. 其中‖为升角变量。当伊时升角不发生变化即为等升角,当伊一时即意 味着角随着螺旋圈数的上升逐渐减小,此时。当/:时。由图. 弓