加绕变升角宽频带椭圆螺旋天线

　　轴向模螺旋天线是一种行波天线,具有宽频带圆极化等特点,因而在卫星通信中得到了广泛的应用。相等周长的椭圆比圆的截面积小,因而椭圆螺旋天线的结构比传统的螺旋天线更加紧凑,更适用于移动卫星通信的终端,但是其辐射特性变差。文献[1]假设椭圆螺旋天线的电流为行波分布,得到了近似的方向图并进行了测量。Z.H.Wu等用IE3D软件对其进行了理论分析并进行了实验研究,提出了带有附加螺旋线的椭圆螺旋天线以改善其圆极化特性,同时提高了天线的增益[2-4]。H.Nakano[5]指出,螺旋天线的电流分布可以分为两个部分:衰减部分和表面波部分,衰减部分可以看作表面波部分的激励,在表面波部分加绕附加螺旋线,在不改变馈电结构的情况下可以提高螺旋天线的增益。C.H.Chen等提出了一种指数螺距的圆柱螺旋天线以改善其极化特性[6]。美国的一项专利表明,变升角可以提高轴向模螺旋天线的增益,改善其增益带宽[7]。可见,变升角是改善螺旋天线增益和圆极化特性的一种简单有效的方法。

　　我们在文献[8]中提出了一种升角线性变化的轴向模椭圆螺旋天线,用矩量法求解天线满足的积分方程和用FEKO电磁仿真软件两种方法得到了天线的方向图,不仅改善了椭圆螺旋天线的极化特性,而且提高了其增益。在文献[9]中把变升角和加绕寄生螺旋线的方法结合起来,提出了带有附加螺旋线的变升角螺旋天线。也可以采用优化算法对螺旋天线的参数优化来提高增益[10]。为了进一步改善轴向模椭圆螺旋天线的辐射特性,本文把这两种方法结合起来应用于椭圆螺旋天线,提出了带有附加螺旋线的变升角轴向模椭圆螺旋天线,有效地改善了椭圆螺旋天线的辐射特性。

　　1　天线方程和参数

　　椭圆螺旋天线如图1(a)所示,其截面如图1(b)所示。其参数方程为[1]

　　参数的选择同文献[8],螺旋圈数N=5,短轴长轴之比b/a=0.65,螺旋升角α=12.5°,线半径ρ=0.5mm,椭圆的周长Cir=100 mm,起始和终止升角分别为α0=5°,α1=19.86°。此时,该天线的轴向长度和螺旋线长度与升角为12.5°的均匀椭圆螺旋天线相同。

　　本文选择从椭圆螺旋天线的第二圈开始对称加绕附加螺旋线。带有附加螺旋线的均匀升角的椭圆螺旋天线见图3,带有附加螺旋线的变升角的椭圆螺旋天线见图4。

　　2　仿真结果

　　频率为3 GHz时带有附加螺旋线的变升角椭圆螺旋天线的3维归一化方向图如图5所示。图6(a),(b),(c)比较了加绕的变升角椭圆螺旋天线、加绕的均匀升角椭圆螺旋天线和单绕的均匀升角椭圆螺旋天线φ=0平面的方向图。