新型球面螺旋天线的特性分析

新型球面螺旋天线的特性分析

将平面等角螺旋天线投影到半球面和部分球面上，得到半球面螺旋天线和部分球面螺旋天线两种新型球面螺旋天线．采用基于曲线基函数的矩量法对其辐射特性进行了分析，给出了天线的驻波、增益、极化及方向图等随频率变化的曲线．新型半球面螺旋天线具有较宽的圆极化带宽，部分球面螺旋天线增益曲线较为平坦，且易于加工，为不同要求下天线形式的选取提供了良好的依据．
关键词：球面螺旋天线；矩量法；曲线基函数

     在移动卫星通信系统中，为了便于卫星和终端的通信，天线需要覆盖的面积往往非常大，这就要求天线具有宽波束、圆极化特性．传统采用的柱螺旋天线和微带天线可以达到这一要求，但在波束宽度、工作带宽上有很大的局限性．为了实现宽带、宽波束、圆极化辐射，H．B．Riblet于1960年率先提出了球面螺旋天线，并进行了实验研究．Mei和MeyerL1 在此基础上研究了非均匀螺旋缠绕的球面螺旋天线，从理论上对其远场进行了分析．虽然这种天线提出比较早，但直到近几年才引起人们的重视和研究．美国Virginia大学对该天线进行了大量的研究，A．Safaai—JaziL2 等对这种球面螺旋天线的阻抗、圆极化特性进行了深入研究；HuiL3川等提出了一种半球面螺旋天线，这种天线在增加圆极化角度的同时降低了天线的剖面，具有更加稳定的机械结构，并对这种半球面螺旋天线组阵进行了分析和研究．
    从目前可检索到的文献可见，所研究的球面螺旋天线都具有等螺距的特点，对采用其他方式螺旋缠绕的天线的特性还未很好地研究．笔者将平面等角螺旋天线投影到球面上，得到了两种新型的球面螺旋天线：半球面螺旋天线和部分球面螺旋天线．采用曲线基函数的矩量法对天线进行了分析，给出了天线的驻波、增益、圆极化及方向图曲线．

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1 新型球面螺旋天线结构同轴馈电
(b)新型半球面螺旋天线 (c)部分球面螺旋天线图1 天线结构示意图   平面等角螺旋天线是一种频率无关天线，如图1(a)所示，在极宽的频带范围内具有良好的阻抗特性和方向图特性．将平面等角螺旋天线投影到直径等于平面螺旋极径的半球面上，可以得到一种新型的半球面螺旋天线，如图1(b)所示．当平面等角螺旋天线所投影的球面半径大于平面螺旋的极径时，所得的新型天线是一种部分球面螺旋天线，如图1(c)所示，较半球面螺旋天线而言，具有更低的剖面．适当对方程进行修正，最后可得这两种新型球面螺旋天线极坐标方程式

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2 基于曲线基函数的矩量法
   矩量法㈨是在电磁辐射与散射分析研究中广泛采用的一种数值方法，具有精确度高的特点．传统的矩量法通常采用直线段来近似模拟曲线天线的结构，需要相当多的直线段才能精确模拟曲率很高的曲线天线．采用螺旋线段对天线进行划分，可以减少天线分段数，提高计算速度和精度 ]．

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3 天线特性分析
   笔者研究的半球面螺旋天线球面直径为140 mm，螺旋线直径为0．1 mm，圈数为4，部分球面螺旋天线球面的直径也为140mm，高度为35mm，比半球面螺旋天线高度低了一半，具有更好的低剖面特性．为了加强单向辐射，增加了一个反射板，反射板与半球距离为2 mm，直径为200 mm．用曲线段对天线进行剖分，应用矩量法对这两种新型的球面螺旋天线的辐射特性分别进行了分析，结果如图3～8所示

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4 结束语
   笔者将平面等角螺旋天线投影到球面上，得到了两种新型的球面螺旋天线．通过采用基于曲线基函数的矩量法对这两种天线的辐射特性进行了分析，从结果可以看出，新型半球面螺旋天线具有较宽的圆极化带宽，部分球面螺旋天线增益曲线较为平坦，且易于加工，这对于工程实践中天线形式的选取具有较大的参考
价值．