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《火控雷達技術雜志》2016年第3期

摘要：針對某陣列天線需要寬帶圓極化天線陣列單元的需求，設計了一種工作于L波段軸向模右旋螺旋天線，用高頻電磁仿真軟件(AnsoftHFSS)優化了饋電點高度和介質支撐對天線性能影響。仿真和實測結果表明，該天線單元在31%相對帶寬內，仿真和實測結果吻合較好。該軸向模右旋螺旋天線的性能完全要求，并已用于實際工程中。

關鍵詞:陣列；螺旋天線；軸向；寬帶

0引言

隨著衛星通信、遙控遙測技術的發展，以及高速目標在各種氣候和極化方式條件下跟蹤測量的需要，通常采用線極化天線難以保證穩定而可靠的工作。而一個圓極化波可以分解為兩個振幅相等，相位相差90°的空間相互正交的線極化波，由于它的這種獨特性能，因此越來越多的電子設備采用圓極化的寬帶天線。下面以右旋單繞軸向模螺旋天線為例介紹它的設計、阻抗匹配問題以及采用介質支撐后對天線的影響等。

1原理分析

1.1陣列天線要求

根據需求，某L頻段陣列天線要求工作在右旋極化模式，總增益達到17dB，具有方位跟蹤，且天線高度要求不超過300mm，本著性價比高的原則，方案篩選出陣列單元的形式為軸向螺旋天線形式，天線高度要求限制單元增益，優化計算的單元增益最大為11dB，采用2×4單元組陣可滿足陣列總增益的要求，利用和差組合網絡形成和信號及方位差信號。

1.2螺旋天線的定義

螺旋天線是圓極化寬帶天線的一種，是用金屬線(或管)按一定規律繞制而成的螺旋形結構的行波天線。通常是用同軸線饋電，同軸線內導體和螺旋線一端相連，外導體和金屬接地板相連。螺旋天線的輻射特性和它的直徑(用D表示)與波長之比有關，根據輻射方向可將螺旋天線分為三種類型:環狀天線型(D/!＜0.18)、軸向型(0.25＜D/!＜0.46)和圓錐型(D/!＞0.46)。其中能在1.7:1頻帶內保持方向性或增益接近最大值的是軸向模螺旋天線，它具有以下幾個特點:天線的最大輻射方向沿螺旋的軸線方向;輻射場為圓極化;輸入阻抗近似為純電阻。

1.3阻抗匹配

螺旋天線最主要的問題是它與饋線之間的匹配特性。工程設計時常采用下面的經驗公式Rin≈140c/!式中:c為單圈螺旋周長，!為自由空間波長。一般設計時常取c/!=1.07，因此求出它的輸入阻抗Rin=150#，而螺旋天線都采用50#的同軸線進行饋電，顯然螺旋天線和饋電點之間存在阻抗失配問題。為使阻抗匹配，一般用漸變鏡像傳輸線阻抗變換器原理，優化螺旋線與饋電點之間的高度d，采用50#的同軸線到150#輻射阻抗的漸變過度，使天線與饋電點之間很好的匹配，經過優化設計，設計的螺旋天線在31%的相對帶寬電壓駐波比$＜1.4:1。

1.5螺旋天線的支撐

為了使天線能夠穩定而可靠的工作，結構上需要考慮螺旋天線的支撐問題。常見方法是選用低損耗聚四氟乙烯介質桿或介質管支撐，在此選用的是聚四氟乙烯介質管支撐。由于λε=λ0ε槡r，因此填充介質后相當于波長減小，即頻率偏高，為了滿足要求，應該考慮加介質支撐時對天線的影響，即將螺旋天線直徑相應縮小。

2仿真設計分析

2.1仿真設計

根據工程需要，設計一個右旋單繞軸向螺旋天線，工作頻率在1.25～1.71GHz，相對帶寬為31%。設計參數為:D=62mm，圈數n=7，螺距h=39.6mm，接地板D1=250mm。螺旋線采用直徑為3.6mm的金屬銅導線，均勻纏繞在外徑為62mm的聚四氟乙烯介質管上，介質管的介電常數取

2.1，對螺旋天線輸入阻抗影響忽略。利用高頻仿真軟件AnsoftHFSS對以上參數進行建模仿真。

2.2仿真結果

螺旋天線方向圖仿真曲線。由螺旋天線的方向圖仿真曲線可看出E面、H面方向圖基本等化，增益高于11.27dB。從單元方向圖在頻帶內的分布情況可看出，適當減小螺旋天線直徑可獲得更好的輻射性能。

2.3測試結果與分析

螺旋天線主要性能的理論分析與實際測結果比較。在相對帶寬達到31%的工作頻帶內，實測駐波小于1.39:1，實測增益可達11.27dB，實測軸比小1.35dB。仿真結果與測試結果較吻合。

2.4天線組陣

天線組陣可有效提高天線的增益，使波束變窄，以便達到總的性能指標。該螺旋天線已經被用于某工程中，采用2×4單元組陣，選取合適的陣間距(陣元間距為半波長)可減少單元螺旋天線之間的互耦，降低柵瓣，總增益可達17dB。組陣天線每四個單元通過一分四的功分器連接到魔T，輸出的和信號由雙工器將接收和發射分離出來，差路信號通過發阻濾波器輸出跟蹤信號。

3結論

本文介紹的陣列天線中的單元是一種單繞軸向模右旋寬帶螺旋天線，其結構簡單緊湊，性能優良，加工方便，調整容易，特別是用簡便方法解決了阻抗匹配問題，在31%的相對帶寬內，各項指標均達到了設計要求。

4致謝

感謝中國電子科技集團公司首席專家段玉虎對本文的精心指導;感謝中國電子科技集團公司第39研究所副總工程師吳養曹研究員對本文螺旋天線的設計理論及優化方法提出了寶貴意見。

參考文獻:

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作者：曹燕華；楊東 單位：中國電子科技集團公司第39研究所