圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计

圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计 圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计 第23卷第5期 2007年1O月 微波 JOURNALOFMICROWAVES V01.23No.5 Oct.200r7 文章编号:1005-6122(2007)05-0014-05 圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计 沈仁强尹应增马金平赵娜 (西安电子科技大学天线与微波国家重点试验室,西安710071) 摘要:提出了一种应用于全球定位系统(GPS)的宽波束圆极化圆锥印刷四臂螺旋天线.数值分析表明螺旋 角和螺旋臂的长度是影响波瓣宽度的两个主要因素,文中给出了其变化规律.基于此,我们设计了一个中心频率为 1.57542GHz的圆极化圆锥印刷四臂螺旋天线,并制作了模型天线.测试结果显示该天线在中心频率处的3dB波瓣 宽度约为200.,满足半球覆盖特性;3dB轴比带宽约为0.35GHz;驻波比在1.5以下的频率范围为1.47—1.6GHz. 实验结果和仿真结果吻合良好. 关键词:圆锥四臂螺旋天线,宽波束天线,宽频带圆极化天线,印刷天线 AnalysisandDesignofConicalPrintedQuadrifilarHelicalAntenna SHENRen-qiang,YINYing-zeng,MAJin-ping,ZHAONa (NationalLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,XidianUnivers~y,'an710071 ,China) Abstract:AnovelconicalprintedquadrifilarhelicalantennaforGPS印plicationispresented.Theantennabehaves widebeamwidthandcircularpolarization.Numericalsimulationsshowthatthepitchanglea ndthelengthofradiating8xnls 8remainfactorswhichinfluencethebeamwidthofthiskindofantenna.Themodelantennades ignedworkingatcenterfre- quencyof1.57542GHzcharacterizes:1)about200degreesof3dBbeamwidthwhichsatisfies therequirementofthehemi— sphereradiation,2)about0.35GHzof3dBaxial-ratiobandwidth,and3)VSWRunder1.5:1co veting1.47—1.6GHz. Themeasuredresultsagreewellwithnumericalones. Keywords:Conicalquadrifilarheficalantenna,Widebeamwidthantenna,Broadbandcircul arlypolarizedantenna, ntodantenna 引言 GPS的工作性能在很大程度上取决于天线的工 作性能.系统要求接收天线必须具备半球覆盖方向 图,圆极化,低仰角时方向图锐截止和交叉极化弱等 特性. 常用的接收天线有微带贴片天线,圆柱螺旋天 线和圆锥螺旋天线?].微带贴片天线具有心形 方向图,低损耗,低轮廓和重量轻等优点,能满足接 收天线所需要的半球覆盖方向图特性.但天线的固 有结构已经决定了天线的带宽较窄,低仰角增益较 低.圆柱螺旋天线.4容易实现良好的圆极化和较 宽的频带,但是波瓣宽度较窄,不能实现半球覆盖特 性.因此常用圆柱螺旋天线作为阵元,构成阵列,从 而改善天线的性能.但是构成阵列的最大缺点是需 +收稿日期:2006-01-11;定稿日期:2006-10-26 要的阵元较多,阵元之间的相互影响较大,因此在实 际工程应用中存在很大的局限性.圆锥螺旋天 线.6几乎能满足接收天线的所有指标,因此在工 程中得到了广泛应用. 文献[1—7]中提出的天线波束宽度都小于 180.,而本文提出的圆锥印刷四臂螺旋天线不仅能 实现低损耗,高增益,具有低轮廓和重量轻的特点, 而且能实现波束宽度大于180.的宽波瓣方向图和 良好的圆极化.针对不同尺寸的天线,我们应用 AnsoftHFSS9.2进行了仿真,其结果表明影响波束 宽度的主要因素是螺旋角和螺旋臂的长度.为了实 现圆极化,本文采用微带电桥馈电.微带电桥不仅 容易实现等幅和相位相差9o.的馈电,而且该馈电 方式具有环路相消的特点,很容易做到与50jfl或 75jfl同轴线匹配.基于此,我们设计了一个中心频 第23卷第5期沈仁强等:圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计l5 率为I.57542GHz的圆锥印刷四臂螺旋天线,并制 作了模型天线.测试结果显示:该天线在中心频率 处的3dB波瓣宽度约为200.,满足半球覆盖特性; 3dB轴比带宽约为0.35GHz;驻波比在1.5以下的 频率范围为1.47,1.6GHz.实验结果和仿真结果 吻合良好. 1天线结构与几何特性 1.1天线结构描述 将4根等宽等长的铜带按照一定的轨迹印制在 柔软薄介质板上,然后绕在一定尺寸的圆台上,这样 就构成了天线辐射体.天线4个臂的绕向与最大辐 射方向形成左手关系.4根螺旋臂的上端是开路, 下端是4个馈电端.4个馈电点等间隔分布在圆台 的底面圆周上.4个馈电点的幅度相等,相位两两 相差9O..天线的结构和平面展开图如图1所示. ?(a)天线克『本图(b1天线平面展开图 图l厕锥印刷四臂螺旋天线 1.2几何特性描述 印刷在高度为h的圆台上长为,宽为的铜 带所形成的螺旋臂螺距P与圆台延伸后所形成的 圆锥体高度日相等.绕在圆台上的螺旋臂为0.75 匝.几何关系如图2所示,参数意义如表1所示. 根据几何关系有: 在坐标系I—xyz中有: 萎在坐标系1I—x'y中有: = (+)…【+Jc. Y=(D+)sin(2)【+J吼"(2 ,H 天线的臂长可由下式确定: = 瓣 (3) 其中?为螺旋线绕一圈后的半径变化量. 图2几何参数 表1几何参数及其含义 参数含意 圆台延伸后所形成的圆锥的半锥角 d圆台的小直径 D圆台的大直径 h圆台的高度,即天线的高度 圆锥体的高度 口螺旋角 P螺旋臂的螺距 ,螺旋臂的长度 螺旋臂的宽度 ro螺旋臂的起始点到锥顶的径向距离 r螺旋臂上的任意一点到锥顶的径向距离 ?匝数 D地板直径 平面展开图的角度 尺平面展开图的小半径 平面展开图的大半径 令N=0.75,P=H,由几何关系可得: d=0.5Ptan0o D=2Ptan0o h=0.75P l()? ?= = 根据(4)式可知,螺距P和半锥角0.是自由变 量;圆台的上下直径d和D,螺旋角与螺旋臂的长 度都依赖于螺距和半锥角的变化. 16微波2007年lO月 2仿真模型及仿真结果 2.1仿真模型 本文采用AnsofiHFSS9.2软件对天线进行仿 真.天线的仿真模型如图3所示.建模过程分为3 步: 第1步,使用AnsoftHFSS8.O创建螺旋臂,然 后导入到AnsoflHFSS9.2,设置螺旋臂的材料为铜. 在AnsoftHFSS9.2中创建圆台体和地板,圆台体作 为螺旋臂的载体,材料设为聚四氟乙烯;地板设为理 想电壁.4个馈电点分别用圆柱体代替同轴线进行 馈电.馈电端口采用"LumpPort",激励源设为等幅, 相位两两相差90.的信号.图3中包围天线的圆柱 体为辐射空间,边界条件设为辐射边界条件.适当 调整4个馈电点的阻抗,以满足天线的电参数. 第2步,根据端口输入阻抗,使用AnsoftDesig— ner设计馈电网络.馈电网络是由两个90.的分支 电桥和一个180.的环形电桥构成.通过恰当的设 计和调整,满足4个馈电点的相位,幅度和阻抗的要 求. 第3步,集成馈电网络和天线,完成天线的建 模. 图3仿真模型 2.2仿真结果 以GPS接收天线的工作频率1.57542GI-Iz为 中心频率,参考式(4),锥角,臂长和地板尺寸变 化时,下面对圆锥四臂螺旋天线的仿真结果进行分 析. 情况1: 给定臂长(L=0.75A.),臂宽(W=4ram)和地板 尺寸(D=0.7A.),锥角变化时天线的功率波束宽 度(2%)轴比和增益的仿真结果如表2所示. 表2锥角变化时天线的性能 2O02%轴比 20.183.<1.1 30.152.<1.26 40.112.<1.23 情况2: 给定锥角(200=30.),臂宽(=4ram)和地板 )~,-rJ-(D=0.7A.),臂长变化时,天线的半功率波束 宽度(20)轴比和增益的仿真结果如表3所示. 表3臂长变化时天线的性能 情况3: 当2o0=30.,=0.75A,=4ram时,选用不同 大小的地板对方向图的影响如图4所示.RHCP为 右旋圆极化,LHCP为左旋圆极化. ... ,,\ f'__ ...... ' /\/一 :./-一- , , \ \ \>:- 髟一 (a)Dg=Ao/2 0 / : / I酒 . ' , ..\/ . \, .? . :?i怒j 3拳i i;豢 , /l舶 \一,... .1\, (b)D=3A0/4 ./jI t; 一.一, S,//L?? /一0\,?一 — /' \/一.'. .—/ m ' ?\窍 - \. .\ 一., - (13)Dg=Ao 图4地板对方向图的影响 根据表2,表3和图4可知:锥角越小,臂长越 长,地板直径在A0/2<D<3A0/4之间时,能获得很 一 第23卷第5期沈仁强等:圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计17 宽的波瓣宽度和良好的圆极化特性.另外,通过仿 真我们发现螺旋臂的宽度对波瓣宽度和极化特性没 有明显的影响. 3宽频带匹配网络的设计 为了实现对4个馈电点等幅,相位两两相差 9O.的馈电,常用的馈电方式是功分器或微带电 桥J.本文采用微带电桥馈电.该方式的优点在 于频带宽,易实现等幅,相位相差9O.,易与天线集 成等.所设计的微带电桥由2个9O.的分支电桥和 1个180.的环形电桥组成,其结构如图5所示. 9O.分支电桥 4测试结果 图5馈电网络 3/2 8O.环形电桥 根据上述分析,我们设计并制作了一个中心频 率为1.57542GHz的接收天线.模型天线的照片如 图6所示.天线的几何参数为:N=0.75,20o=24., d=15.09mm,D=60.37mm,h=160.5mm,P= 142mm,L=142.68mm,W=3mm,D=180mm.平面 展开图的几何参数为:=75.,R.=36.29mm,R= 149.04mm.馈电介质板材选用=2.65,厚度为 1mm的聚四氟乙烯.软材料选用=2.65,厚度为 0.2mm的聚四氟乙烯.圆台体选用=2.25的聚 乙烯. 图6模型天线照片 测试与仿真结果如图7—9所示,可以看出:天 线在中心频率处测得的3dB波瓣宽度约为 0.35GHz,满足半球覆盖特性;3dB轴比带宽约为 图7驻波比曲线 . 3O . 20 . IO O 图8轴比随频率的变化曲线 3 哆_/l ?/3, \r一....:/\一,, / 210,\/50 80 (a)?=0. O ' 一}tl土,r j 』\1.,.. \21\, I8O (b)=90. 图9辐射方向图 枷珈oo加珈枷 l8微波2007年l0月 0.35GHz;驻波比在1.5以下的频率范围为1.47— 1.6GHz.不难发现:轴比和方向图的测量与仿真结 果吻合良好;而驻波比的测量与仿真结果有一些出 入,但满足设计要求,其原因可能在于调试时加入了 1个1/4波长阻抗变换器. 5结论 对于本文所研究的圆锥四臂螺旋天线,当绕制 匝数给定(N=0.75)时,可以通过增加螺旋臂的长 度或减小螺旋角(即减小锥角)来增加波瓣宽度. 选择适当的锥角和螺旋臂的长度,方向图的半功率 波瓣宽度展宽到180.(甚至大于180.),完全满足 GPS接收天线所需要的半球覆盖特性.地板和螺旋 臂的宽度对波瓣宽度的影响可以忽略.采用微带电 桥馈电不仅可以获得较宽的频带,而且容易匹配. 参考文献 [1]JuanIOrtigosa,NeusPadros,MagdyFIskander.Com— parativestudyofhishperformanceGPSreceivingantenna designs.IEEEInternationalSymposiumAntennasand PropagationSociety,1996,3:1958,1961 [2]DesphandM.Rectangularmicrostripantennaforcircular polarization.IEEETransonAntennaandPropagation, 1986,34(5):744,746 (3]ChenYen—Yu,WongKin-Lu.Low-profilebroadband printedquadrifdarhehcalantennaforbroadcastingsatel— liteapplication.MicrowaveOptTeclmolLett,2003,36 (2):134,136 [4]ShumakerPK,HoCH,SmithKB.Printedhalf-wave. 1engthquadrifflarhelixantennaforGPSmarineapplica— tions.ElectronicsLeRers,1996,32(3):153,154 [5]Dy~onJD.ThecharacteristicsanddesignoftheconicM log—spiralantenna.IEEETramonAntennaandProp, 1965,13(4):488,499 [6]YangShiwen,TanSoonHie.Boradbandconicalprinted quadrifilarhelicalantennawithintegratedfeednetwork. 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