一种新型圆极化法向模反转螺旋天线(2)

图3给出了所提出的1.5λ反转螺旋天线在1.1 GHz下的仿真辐射方向图。结果表明,辐射最强的方向发生在xoz平面。在水平方向xoy面上,可以得到一个非常平坦且增益为2.25～2.45 dBi的全向辐射。而在垂直方向xoz面上,辐射呈现类 “8”字形状,交叉极化高于19 dB。

图3 1.5λ反转螺旋天线仿真方向图。(a)xoy面;(b)xoz面Fig.3 Simulated radiation patterns of reverse-rotation helical antenna.(a)xoy-plane;(b)xoz-plane

天线的轴比与输入阻抗分别如图4和图5所示。图4为1.1 GHz处的水平方向轴比,该天线在工作频点处整个水平面上的轴比都小于3 dB,即是工作在圆极化状态。而此时由图5看出,其输入阻抗为26.7 Ω,接近理论上的31 Ω。而传统的具有相同直径的法向模圆极化螺旋仅有3.5 Ω左右。

为了进一步验证工作机理,图6给出了1.5λ反转螺旋天线各个方向及反转点处的仿真表面电流分布。从图6可以清楚地看到电流方向在反转点发生变化,增加反转结构使得电流水平分量增强,与理论分析相一致。

图4 1.5λ反转螺旋天线仿真轴比(φ=0°)Fig.4 Simulated axial ratios of the reverse-rotation helix antenna(φ=0°)

图5 1.5λ反转螺旋天线仿真输入阻抗Fig.5 Simulated input impedance of the reverse-rotation helix antenna

图6 仿真1.5λ反转螺旋天线表面电流分布Fig.6 The simulated surface current distribution of the reverse-rotation helix antenna

2 五段式反转螺旋结构与测试分析

在三段式反转螺旋结构的基础上,为进一步提高阻抗性能,并再次验证这一概念,本节提出了一个2.5λ的五段式反转螺旋结构。

2.1 五段式反转螺旋结构与原理

图7给出了所提出的2.5λ反转螺旋结构及其电流分布。该结构以反转点P1、P2为连结点,由三个右旋螺旋段和两个左旋螺旋段串联而成,且相邻螺旋旋向相反。中间右旋螺旋段的螺旋圈数为n1,相邻螺旋线间距离为s1,而上下两端的右旋螺旋段的螺旋圈数为n3,相邻螺旋线间距离为s3,两个左旋螺旋段的螺旋圈数为n2,相邻螺旋线间距离为s2。通过参数选择,使得右旋为主要极化。所有螺旋段的横截面都是一个宽度为w、高度为t的矩形。天线结构在中心右旋螺旋段的中间进行差分馈电。天线的每段长度约为0.5λ,因此水平电流分量的相位相同,垂直分量与1.5λ反转螺旋部分抵消。通过选择合适的参数值,可以实现圆极化辐射。

图7 (a)2.5λ反转螺旋天线结构与(b)电流分布Fig.7 (a)Configuration and(b)current distribution of a reverse-rotation helical antenna

2.2 测试结果分析

如图8所示,本文应用3D打印技术对所提出的五段式反转螺旋天线进行加工并进行了测试。为了便于同轴线馈电,打印过程中还包括一个通常用于偶极子馈电的巴伦,这有助于形成天线整体的“一体化”结构。为了使螺旋和50 Ω的SMA接口之间的匹配良好,同轴线的阻抗为75 Ω。天线整体的直径为0.1λ,高度为0.49λ,结构紧凑,体积小,适合于阵列天线。天线参数的最终优化值为:n1=0.66,n2=1.33,n3=1.41,s1=34 mm,s2=6 mm,s3=25 mm,d=26.9 mm,w=2 mm,t=1.2 mm。图9为五段式反转螺旋天线方向图。其中,仿真模型已包含馈电巴伦。测量结果与仿真结果相比,工作频段略微向低频偏移,这可能是由于加工误差造成的。其10 dB阻抗带宽为1.076～1.107 GHz,对应相对带宽为2.8%,仿真阻抗带宽为2.9%。圆极化最大测量增益为2.5 dBi,仿真增益为2.72 dBi。

图8 加工的2.5λ反转螺旋天线实物图Fig.8 Photo of the fabricated reverse-rotation helical antenna

图9 2.5λ反转螺旋天线测试及仿真反射系数Fig.9 Simulated and measured reflection coefficients of the reverse-rotation helical antenna

图10为五段式反转螺旋在1.1 GHz处辐射方向图测试及仿真结果。测得的主极化方向图形状与仿真结果基本一致。测量的交叉极化方向图的起伏比仿真结果的大,这可能是组装和测量误差造成的。但是,交叉极化仍然优于-15 dB。图11为天线在1.1 GHz处水平面轴比,其测试结果由于受环境影响波动较大,但仍优于2.5 dB。

图10 2.5λ反转螺旋天线方向图。(a)xoy面;(b)xoz面Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of the reverse-rotation helical antenna at 1.1 GHz.(a)xoy-plane;(b)xoz-plane

图11 2.5λ反转螺旋天线水平面轴比Fig.11 Simulated and measured axial ratios of the fabricated reverse-rotation helix at 1.1 GHz

3 结论

本文提出了一种新型反转螺旋天线,以实现全向圆极化辐射,同时能够保持简单紧凑的小型化结构。它由奇数段螺旋结构相连而成,每段螺旋结构的曲线长度约为0.5λ,每两段相邻的螺旋结构具有相反的旋转方向。电流方向和结构旋转方向相反导致水平分量的辐射增强。对所设计的五段式反转螺旋天线进行加工并测试,结果表明,其最大测量增益为2.5 dBi,相对阻抗带宽为2.8%,与仿真结果吻合,与传统法向模螺旋天线相比,增益更高,带宽更宽。该天线单元适用于全向辐射的应用,形成阵列后适用于定向辐射的应用。

文章来源：《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0209/366.html