基于衛星導航通信系統的雙臂螺旋天線設計

隨著衛星無線電導航業務的迅猛發展，越來越多的國家開始發展自己的導航通信系統。由于各種導航通信系統的衛星在空間的分布有限，因此在低信息速率、小容量的衛星導航通信系統中，要求所用終端的天線具有體積小，損耗低，極化為圓極化，俯仰面要寬和方向圖為全向方位面。雖然單臂螺旋天線和四臂螺旋天線經常被采用，然而單臂螺旋天線增益比雙臂螺旋天線低2 dB，四臂螺旋天線要求各線的饋電相位分別為0°，90°，180°，270°，這就勢必要求比較復雜的饋電網絡，而雙臂螺旋天線正好彌補了它們的缺點。通過調節螺旋的物理參數，能夠得到主瓣指向衛星的賦形波束，所以在衛星導航通信系統中雙臂螺旋天線成了一種適宜的選擇。

根據衛星導航通信系統要求，終端所用天線設計需要滿足以下幾點：天線覆蓋范圍為方位O°～360°，天頂角為20°～58°，波瓣中心增益為5．5 dBi，波瓣中心點±19°處的增益為2．5 d Bi。除此之外，發射右旋圓極化波的軸比小于3 dB，要求在不到1 %的頻帶內電壓駐波比小于1．5。由于特殊的用途要求，終端所用天線不同于傳統的法向和軸向螺旋天線。

1 天線模型的設計

采用的雙臂螺旋天線，使用平行雙線纏繞柱狀介質棒而成，平行雙線是一種開放式的傳輸線，其電場向外部延伸。當平行雙線扭曲變形時就會引起輻射，其饋電點相位差180°。由于采用同軸線給雙線饋電，匹配變得至關重要，也成為本天線設計的一個難點，在非對稱的同軸線與對稱螺旋線之間需要用到對稱轉換器（本文采用裂縫式對稱轉換器），其結構示意圖如圖1所示。

在柱坐標中，螺旋線位于半徑為r0的支撐桿表面上，螺旋線可以定義為：

它在ψ和z向具有周期性，模型如圖2所示。

2 天線分析以及性能的研究

雙臂螺旋天線的雙臂上電流近似為：

式中，

令α為積分變量，則電場公式為：

其中一臂相位項為：

上述公式中參量的意義如圖2所示，雙臂輻射的電場在空間進行矢量疊加就形成了最終的方向圖。

雙臂螺旋天線模型仿真結果如圖3所示。在設計中，為了盡可能使電流在螺旋線末端近乎為零，使所有能量輻射出去，同時折衷結構的尺寸要求，需優化出雙臂螺旋天線基本尺寸，如螺旋線半徑、介質桿半徑、螺旋半徑、螺距和螺旋圈數以及平衡器開槽深度0．25λ。計算結果表明，當圈數適當時這種雙臂螺旋天線的尾瓣很小，具有寬的方向圖，波束寬度能夠達到11O°以上，在波束寬度內軸比小于3 dB，方位面為全向輻射，而且增益能夠達到6．1 dB，具有良好的匹配性能。

3 天線測試結果

根據理論優化設計結果，加工出雙臂螺旋天線，經過測試可得出，當駐波小于等于1．4時，帶寬達到10％以上；當3 dB波瓣寬度大于等于120時，軸比小于等于3 dB，增益可達到5．6 dB。通過測試表明，雙臂螺旋天線能夠滿足衛星導航通信系統的要求，并且該天線已經成功地實現了衛星導航通信試驗。

4 結 語

設計了一種用于衛星導航通信系統的雙臂螺旋天線，根據該系統的電氣和結構要求優化設計出天線實物，通過對實物進行測試和在試驗中的成功應用，表明新型雙臂螺旋天線能夠很好地滿足衛星導航通信系統通信入站回傳的要求，對于衛星導航通信系統天線的設計與研究具有很高的參考價值。