一种新型圆极化法向模反转螺旋天线

胡振欣 (1988-),男,江苏徐州人,副教授,研究方向为射频电路与天线;

毛伟 (1989-),男,江苏徐州人,助理教授,研究方向为混合信号集成电路和人工智能加速器。

螺旋天线是一种具有螺旋形状的天线,它由导电性能良好的金属螺旋线组成,广泛应用于无线通信系统,如WiFi和卫星数据传输。螺旋天线常用的模式有两个:轴向模式和法向模式[1]。可以用圆周直径d、相邻螺旋线间距离s和螺旋圈数n表示,其最大辐射方向与螺旋参数有关,当螺旋线圆周长πd为1λ左右时,最强辐射出现在螺旋旋轴方向上,称为轴向模螺旋。轴向模螺旋是一种行波型天线,具有宽带宽、中等增益和发射单向波束的特点[2-4],主要应用于定向信号覆盖。在这种模式下,螺旋的直径相对较大,一圈的长度约为1λ;当d比1λ小很多时,辐射最强的方向垂直于螺旋轴,称为法向模螺旋。法向模螺旋属于在谐振平面[5]上可以进行全向辐射的天线共振类型,与典型直径小于0.1λ的波长相比,其尺寸较小,可以将其视为由几卷回路与短偶极子组成,分别在远场中产生水平和垂直电场分量。当垂直分量占主导时,天线的性能类似于直偶极子天线,但长度较短,从而使得其结构更为紧凑[6]。当两个分量的大小相等时,由于它们之间自然存在90°相位差,因此实现了全向圆极化辐射。然而,在这种情况下,天线的总体积与波长相比非常小。天线的增益较低,输入电阻小至仅有几欧姆,从而导致其阻抗带宽极差,与常用的50 Ω同轴线难以匹配,需要匹配电路,这往往会带来额外的损耗而降低天线效率,因而限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用。

为了实现全向圆极化辐射,国内外研究者基于多种方法提出了许多较好的设计。例如,将两个正交辐射分量组合在一起[7-9]、利用LP-to-CP变压器[10-11]以及使用单向阵列的圆形排列[12-13]。这些天线可以实现全向圆极化辐射,阻抗带宽在百分之几到百分之十几。然而,与结构简单而且紧凑的圆极化法向模螺旋相比,其代价是结构相对较为复杂,需要两个辐射分量的多个枝节或者多个线极化到圆极化转换的按圆环排列结构。文献[14]提出了一种具有类似DNA链结构的由四个旋转对称螺旋组成的圆极化螺旋天线。螺旋之间的耦合将辐射阻抗增加到100 Ω左右,而负电抗很小。它通过匹配网络在水平面中实现了均匀的辐射,增益约为1.65 dBi,阻抗带宽约为3%。尽管该天线具有很好的全向圆极化性能,但考虑到它的结构有点复杂,该文献提出的天线仍然不太具备优势。

为解决上述问题,本文提出一种具有良好增益且可实现全向圆极化辐射的新型法向模反转螺旋天线。该天线具有简单紧凑的一体化结构,设计应用灵活方便,实测结果与仿真结果吻合较好,且可用作阵列元件的设计。

1 三段式反转螺旋结构与工作原理

图1是本文所提出的法向模螺旋天线结构。它由一个右旋螺旋段(RH)和两个左旋螺旋段(LH)组成,在其两侧连接到前一个螺旋。右旋螺旋段的螺旋圈数为n1,相邻螺旋线间距离为s1,而左旋螺旋段的螺旋圈数为n2,相邻螺旋线间距离为s2。螺旋段的截面可以设置为任意形状,对于天线性能而言,不同的形状可以达到相同的电气性能。本文考虑仿真设计以及实际加工的便利性,选择矩形这一方案。矩形的宽度为w,厚度为t,与圆周直径D相比,两者都很小,天线结构中间位置用差分馈电方式激励。所有螺旋段都是金属的,因此具有良好的导电性。本天线结构采用商用软件Ansys HFSS进行仿真分析。

该天线的理论电流分布如图2所示。每段螺旋设计为0.5λ,则总共为1.5λ长,这样,每段上电流相位与相邻的螺旋段电流相位刚好相反,而由于结构上的反转,刚好达到了负负得正的效果,使得每段电流产生电场的水平分量辐射增强,垂直分量部分抵消。通过选择适当的相邻螺旋线间距离参数值s1和s2,可以使得总垂直分量等于水平分量,也就是 |Eθtotal|=|Eφtotal|。

图1 1.5λ反转螺旋天线结构Fig.1 Configuration of a reverse-rotation helical antenna

图2 1.5λ反转螺旋天线表面电流分布Fig.2 Approximate surface current distribution of reverse-rotation helical antenna

如图2所示,法向模螺旋的电流分布可等效为多个环和短偶极子的组合。其水平环分量相当于磁偶极子,每段垂直分量相当于短偶极子,两者之间存在90°相位差,因此就形成了水平全向圆极化辐射。此外,左旋螺旋段与右旋螺旋段的螺距s1与s2大小的选择决定了主极化旋向。如图1所示,若s2大于s1,则主极化方向为左旋。相反,若s1大于s2则为右旋。

所设计的反转螺旋天线经过仿真与参数优化后,得出良好的电气性能。最优参数为:n1=0.88,n2=1.39,s1=9 mm,s2=23 mm,d=26.7 mm,w=2 mm,t=1.2 mm。

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