带异形反射腔和寄生螺旋的均匀升角轴向模螺旋天线

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1、带异形反射腔和寄生螺旋的均匀升角轴向模螺旋天线摘要：为了改善轴向模螺旋天线的辐射特性，在带有寄生螺旋的均匀升角轴向模螺旋天线基础上，设计了一种带有曲反射面背腔的螺旋天线，并用hfss软件对天线的辐射特性进行了仿真分析。通过对比几种不同形式的螺旋天线的仿真结果，证明了该种螺旋天线可以有效地提高轴向模螺旋天线增益系数，圆极化一致性良好，是一种提高轴向模螺旋天线性能的有效方法。关键词：轴向模；螺旋天线；寄生螺旋；反射腔 引言螺旋天线作为行波天线的一种，目前已广泛应用于卫星通信等军民领域。文献［1］验证了从表面波部分加绕寄生螺旋可以提高螺旋天线的增益，且比双臂

2、双绕螺旋天线馈电形式简单。文献［2］采用加绕寄生螺旋线的方法改善椭圆极化螺旋天线的圆极化带宽。文献［3］研究了带有寄生螺旋线的变升角轴向模螺旋天线是一种有效提高天线方向性系数的方法，且在较宽的频带范围内具有较好的圆极化特性。文献［4］仿真计算了反射板的尺寸和形状以及馈电方式等几个变量与螺旋天线方向性系数的关系。本文在带有寄生螺旋的均匀升角轴向模螺旋天线的基础上，设计了一种曲反射表面的凹形反射腔，通过仿真分析，与参考文献中提出的几种不同形式的螺旋天线进行了对比，验证了此种反射背腔可以有效提高轴向模螺旋天线的增益。1轴向模螺旋天线轴向模螺旋天线又称端射螺旋

3、天线，因为应用比较广泛，通常简称为螺旋天线。轴向模螺旋天线最大辐射方向沿着螺旋轴线，辐射场是圆极化或接近圆极化，输入阻抗近似为纯阻，有较宽的频带。通常采用同轴线馈电，同轴线内导体与螺旋线一端相接，外导体与金属接地板相接。d为螺旋直径，s为螺距，α为螺距角，l为一圈的平均周长，n为圈数，l为天线轴长，a为螺旋导线半径［5］。工程上考虑副瓣的影响和波瓣图形状的细节，天线的方向性系数可近似表示为：d=12lλ2·nsλ轴向模螺旋天线的轴比可表示为：ar=2n+12n2设计与仿真2.1天线电尺寸设计本文分析的轴向模螺旋天线中心工作频率为2ghz，螺旋直径d=4

4、8mm，螺距s=36mm，圈数n=8，天线轴长288mm，螺旋导线半径a=0.75mm，选用50ω同轴线馈电，螺旋的起始0.25λ升角为4°，仿真分析的第一种螺旋为均匀升角的螺旋天线，接地板为直径135mm的圆形平板，厚度为1mm，如图1所示。仿真分析的第二种螺旋为带有寄生螺旋的均匀升角的螺旋天线，寄生螺旋的接入位置为第3圈螺旋的起始端，接地板为直径135mm的圆形平板，厚度为1mm，如图2所示。图1均匀升角的螺旋天线图2带有寄生螺旋的均匀升角的螺旋天线第三种螺旋为把第二种螺旋的圆形接地板改为赋形接地板，赋形的尺寸如图3所示。图3赋形接地板第四种螺旋为

5、把第三种螺旋的赋形接地板改为曲反射面的凹形反射板，凹形反射板的曲面起点和终点与赋形反射板一致，曲面在xy面的投影方程为：z=0.010148y2－16.23682.2仿真结果及分析在hfss环境下对四种不同形式的螺旋天线进行了仿真，天线驻波比的结果见表1。表1驻波比仿真结果频率/ghz均匀寄生赋形异型1.51.961.932.011.9821.761.781.781.772.51.691.892.102.05天线驻波比的仿真结果表明，在中心频率2ghz处，均匀升角、加绕寄生、赋形反射板和异型反射板四种形式的螺旋天线驻波系数基本无变化，说明在均匀升角螺旋

6、天线基础上进行的加绕寄生及反射腔改型对螺旋天线在中心频率上的匹配无影响，天线的辐射效率是一致的。仿真得到的均匀升角螺旋天线在2ghz时的3d增益方向图如图4所示，四种天线增益系数对比参见图5所示。由图5可见，加绕寄生螺旋线后，均匀升角轴向模螺旋天线的增益提高了0.13db，改变传统的圆形平面反射板为赋形反射板后，轴向模螺旋天线的增益又提高了0.94db，将赋形反射板变化为曲面反射板后，天线增益又提高了0.15db。因此，曲面反射板对于轴向模螺旋天线的增益有明显改善，相对的，带曲面反射板的螺旋天线的增益带宽变窄。图4均匀升角螺旋2ghz增益方向图图5增益

7、系数四种轴向模螺旋天线的轴比变化参见图6所示。由图6可见，无论是加绕寄生还是改变反射板的形状，在天线的工作带宽内，螺旋天线的轴比都较均匀升角螺旋天线有所增加。均匀升角的螺旋天线在工作范围内轴比起伏较大，只在中心频率处轴比率较小，改善反射板的形状后，赋形和异型接地板在带内轴比起伏不大，具有一定的稳定性。具体应用可根据工程需要进行选择。图6轴比变化将仿真得到的四种螺旋天线在2ghz时的e面增益方向图数据置于同一坐标系下，如图7所示。由图可见，改善接地板形式后，螺旋天线的增益提高，主瓣波瓣宽度变宽，副瓣电平降低，零深电平降低，整个天线的性能发生了质的改变。