[MOM]两种新型球面螺旋天线的数值分析

球面螺旋天线   矩量法   曲线基函数 O-lh\9{'R  
W]}V<S$  
将平面等角螺旋天线投影到半球面和部分球面上，可得到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。从二者辐射特性的分析结果可以看出，二者均具有宽带、宽波束和圆极化特性，新型半球面螺旋天线的具有更宽的圆极化带宽，部分球面螺旋天线具有较小尺寸的同时其频带内的增益曲线更加平坦，为不同要求下天线形式的选取提供了良好的依据。 ;ld~21#m  
a={qA4N  
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Meyer[1]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-Jazi[2]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； Hui[3,4]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，也降低了天线的剖面，具有更加稳定的机械结构，并对由这种半球面螺旋天线进行组阵进行了分析和研究。 zcWxyLifl0  
从目前可检索到的文献可见，所研究的球面螺旋天线都是具有等螺距的特点，对采用其他方式缠绕螺旋的天线的特性仍未得到很好的研究。本文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，为不同要求下天线形式的选取提供了良好的依据。 RGA*7  
2  新型球面螺旋天线结构 ApJf4D<V  
平面等角螺旋天线是一种频率无关天线，如图1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2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3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： xOyL2  
                      （1）                                     v?TJ!o  
其中，a是天线所缠绕球面的半径， 为平面螺旋的绕角，N是缠绕的螺旋圈数， 和 分别为天线的俯仰角和方位角。 G1^!ej  
d<'Yt|zt  
图1 平面等角螺旋天线结构示意图 6`";)T[G9  
hGo|2@sc  
图2  新型半球面螺旋天线 8U:dgXz  
dlzamoS@AR  
图3  部分球面螺旋天线 DD$Pr&~=  
3  基于曲线基函数的矩量法 g7LW?Ewr  
矩量法[5]是在电磁辐射与散射分析研究中广泛采用的一种数值方法，具有精确度高的特点。传统的矩量法通常采用直线段来近似模拟曲线天线的结构，需要相当多的直线段才能精确模拟曲率很高的曲线天线。采用螺旋线段对天线进行划分，可以减少天线分段数，提高计算速度和精度[6,7,8,9]。 ^?]H$e  
螺旋天线上的电流可通过求解电场积分方程而获得。把天线分为Ｍ+1段，Ｍ为奇数，然后将天线上的电流用图4（a）所示的分段曲线三角形基函数展开如下： Hh;6B!zb+  
                （2） g?AqC  
其中， |j}F$*SE[  
                     （3） =egi?Ne  
将式(2)和(3)代入电场积分方程，并采用图4（ｂ）所示的脉冲基函数 u&_U CJ
Cf  
   （4） ZpctsCz]  
为检验函数，经推导可得如下矩阵方程 *#^1rKGWK  
             （5） jL%}y1m?  
对于半球面螺旋天线，在求解其阻抗矩阵[Z]的元素时，可充分利用其对称性，只需求出其中部分元素就可求得矩阵中的其他元素，这样可使矩阵填充的时间大大减少。 \J:T]  
]a|;G  
     w:zC/5x`  
图4  曲线基函数与检验函数 N&h!14]{Z  
4  天线特性分析 gG;W:vR}l  
本文研究的半球面螺旋天线球面直径为140mm，螺旋线直径为0.1mm，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。反射板与半球距离为2mm，直径为200mm。 |< FCt-U  
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5~10所示。 'I>#0VRr  
图5所示为天线在 ( C 为天线水平面大圆的周长， 为波长) 等于1.1~5.8的频带内的驻波比曲线，其计算时采用的是300欧姆的高阻抗作为特性阻抗。由图可见，在 >1.8的频带内，二者驻波比均小于3，随频率变化的规律基本一致，但在1.2< <1.8的频段低端，部分球面螺旋天线的驻波特性明显好于半球面螺旋天线，在该频带内其驻波比小于2。可见，这两种天线都具有较好的阻抗特性，部分球面螺旋天线具有更好的低端性能，有利于天线小型化。 ViT 5Jn7  
PQ"%Z.F"  
图5  天线的驻波比曲线   OwIy(ukTI  
图6  天线的增益曲线 <a[8;YQC  
图6所示为天线的增益曲线。由图可见，半球面螺旋天线在整个频带内起伏比较大，仅在1.1< <2.7和4< <5.5两个频段内分别具3dB的增益带宽，而部分球面螺旋天线则在1.1< <5.6的较宽频带内增益变化小，具有很好的增益特性。半球面螺旋天线在2.7< <4的频带内下降较大，主要是因为天线的方向图在该频带内分裂为两偏离轴向的对称波瓣造成的。 G(\1{"!  
图7所示为天线轴向辐射时的轴比曲线。由图可见，半球面螺旋天线在 >1.5的频带内，轴比 .. []3}(8yxGb  
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4  结 论 TLgVuY  
本文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，部分球面螺旋天线的阻抗特性和增益特性好于半球面螺旋天线，而其圆极化轴比带宽则小于后者；天线的远场方向图则在低频段与高频段分别具有较宽的波束。这些都为工程实践中天线形式的选取提供了有力的参考。 :XZ pnjj  
参考文献 :zRboqe(cc  
[1]     Mei K K, Meyer M. Solution to spherical anisotropic antennas[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagations, 1964, AP-12: 459-463. hj,x~^cS  
[2]     A. Safaai-Jazi, J. C. Cardoso. Radiation characteristics of a spherical helical antenna[J]. IEE Proc. Microwaves Antennas and Propagation, 1996, 143(1): 7-12. 7*
"LW  
[3]     H. T. Hui, K. Y. Chan, and E. K. N. Yung. The low-profile hemispherical helical antenna with circular polarization radiation over a wide angular range[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagations, 2003, 51(6):1415-1418. 'Sh5W%NM  
[4]     H.T. Hui, etc. Coaxial-feed axial mode hemispherical helical antenna[J]. Electronics Letters, 1999, 35(23):1982-1983. e*s{/a?,  
[5]     李世智. 电磁辐射与散射问题的矩量法[M]. 北京：电子工业出版社，1985. h cXqg  
[6]     N J Chmapagne, etc. The use of curved segments for numerically modeling thin wire antennas and scatters[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagations, 1992, 40(6):686-689. g>zL{[e!  
[7]     E D Caswell and W A Davis. Analysis of a helix antenna using a moment method approach with curved basis and testing function [A]. IEEE International Symposium on AP[C], Atlanta, 1998:111. LWV`xCr8R  
[8]     纪奕才，孙保华，刘其中. 基模螺旋天线的研究 [J]. 电子学报，2002，30(3):428-430. = g}yA=.  
[9]     纪奕才，郭景丽，刘其中. 加载法向模螺旋天线的研究 [J]. 电波科学学报，2002，17（6）：573-576，580.

学习一下矩量法在球面天线分析的应用