天线组阵设计与研究范文

《火控雷达技术杂志》2016年第3期

摘要：针对某阵列天线需要宽带圆极化天线阵列单元的需求，设计了一种工作于L波段轴向模右旋螺旋天线，用高频电磁仿真软件(AnsoftHFSS)优化了馈电点高度和介质支撑对天线性能影响。仿真和实测结果表明，该天线单元在31%相对带宽内，仿真和实测结果吻合较好。该轴向模右旋螺旋天线的性能完全要求，并已用于实际工程中。

关键词:阵列；螺旋天线；轴向；宽带

0引言

随着卫星通信、遥控遥测技术的发展，以及高速目标在各种气候和极化方式条件下跟踪测量的需要，通常采用线极化天线难以保证稳定而可靠的工作。而一个圆极化波可以分解为两个振幅相等，相位相差90°的空间相互正交的线极化波，由于它的这种独特性能，因此越来越多的电子设备采用圆极化的宽带天线。下面以右旋单绕轴向模螺旋天线为例介绍它的设计、阻抗匹配问题以及采用介质支撑后对天线的影响等。

1原理分析

1.1阵列天线要求

根据需求，某L频段阵列天线要求工作在右旋极化模式，总增益达到17dB，具有方位跟踪，且天线高度要求不超过300mm，本着性价比高的原则，方案筛选出阵列单元的形式为轴向螺旋天线形式，天线高度要求限制单元增益，优化计算的单元增益最大为11dB，采用2×4单元组阵可满足阵列总增益的要求，利用和差组合网络形成和信号及方位差信号。

1.2螺旋天线的定义

螺旋天线是圆极化宽带天线的一种，是用金属线(或管)按一定规律绕制而成的螺旋形结构的行波天线。通常是用同轴线馈电，同轴线内导体和螺旋线一端相连，外导体和金属接地板相连。螺旋天线的辐射特性和它的直径(用D表示)与波长之比有关，根据辐射方向可将螺旋天线分为三种类型:环状天线型(D/!＜0.18)、轴向型(0.25＜D/!＜0.46)和圆锥型(D/!＞0.46)。其中能在1.7:1频带内保持方向性或增益接近最大值的是轴向模螺旋天线，它具有以下几个特点:天线的最大辐射方向沿螺旋的轴线方向;辐射场为圆极化;输入阻抗近似为纯电阻。

1.3阻抗匹配

螺旋天线最主要的问题是它与馈线之间的匹配特性。工程设计时常采用下面的经验公式Rin≈140c/!式中:c为单圈螺旋周长，!为自由空间波长。一般设计时常取c/!=1.07，因此求出它的输入阻抗Rin=150#，而螺旋天线都采用50#的同轴线进行馈电，显然螺旋天线和馈电点之间存在阻抗失配问题。为使阻抗匹配，一般用渐变镜像传输线阻抗变换器原理，优化螺旋线与馈电点之间的高度d，采用50#的同轴线到150#辐射阻抗的渐变过度，使天线与馈电点之间很好的匹配，经过优化设计，设计的螺旋天线在31%的相对带宽电压驻波比$＜1.4:1。

1.5螺旋天线的支撑

为了使天线能够稳定而可靠的工作，结构上需要考虑螺旋天线的支撑问题。常见方法是选用低损耗聚四氟乙烯介质杆或介质管支撑，在此选用的是聚四氟乙烯介质管支撑。由于λε=λ0ε槡r，因此填充介质后相当于波长减小，即频率偏高，为了满足要求，应该考虑加介质支撑时对天线的影响，即将螺旋天线直径相应缩小。

2仿真设计分析

2.1仿真设计

根据工程需要，设计一个右旋单绕轴向螺旋天线，工作频率在1.25～1.71GHz，相对带宽为31%。设计参数为:D=62mm，圈数n=7，螺距h=39.6mm，接地板D1=250mm。螺旋线采用直径为3.6mm的金属铜导线，均匀缠绕在外径为62mm的聚四氟乙烯介质管上，介质管的介电常数取

2.1，对螺旋天线输入阻抗影响忽略。利用高频仿真软件AnsoftHFSS对以上参数进行建模仿真。

2.2仿真结果

螺旋天线方向图仿真曲线。由螺旋天线的方向图仿真曲线可看出E面、H面方向图基本等化，增益高于11.27dB。从单元方向图在频带内的分布情况可看出，适当减小螺旋天线直径可获得更好的辐射性能。

2.3测试结果与分析

螺旋天线主要性能的理论分析与实际测结果比较。在相对带宽达到31%的工作频带内，实测驻波小于1.39:1，实测增益可达11.27dB，实测轴比小1.35dB。仿真结果与测试结果较吻合。

2.4天线组阵

天线组阵可有效提高天线的增益，使波束变窄，以便达到总的性能指标。该螺旋天线已经被用于某工程中，采用2×4单元组阵，选取合适的阵间距(阵元间距为半波长)可减少单元螺旋天线之间的互耦，降低栅瓣，总增益可达17dB。组阵天线每四个单元通过一分四的功分器连接到魔T，输出的和信号由双工器将接收和发射分离出来，差路信号通过发阻滤波器输出跟踪信号。

3结论

本文介绍的阵列天线中的单元是一种单绕轴向模右旋宽带螺旋天线，其结构简单紧凑，性能优良，加工方便，调整容易，特别是用简便方法解决了阻抗匹配问题，在31%的相对带宽内，各项指标均达到了设计要求。

4致谢

感谢中国电子科技集团公司首席专家段玉虎对本文的精心指导;感谢中国电子科技集团公司第39研究所副总工程师吴养曹研究员对本文螺旋天线的设计理论及优化方法提出了宝贵意见。

参考文献:

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作者：曹燕华；杨东 单位：中国电子科技集团公司第39研究所