趙東賀，韓國(guó)棟，劉桂鳳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

天線是無(wú)線通信系統(tǒng)中接收或副輻射電磁波的裝置，完成射頻導(dǎo)波與空間無(wú)線電波的能量裝換，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有無(wú)可替代的作用[1]。根據(jù)發(fā)射和接收電磁波的方向性，一般可以將天線劃分為定向天線和全向天線。與定向天線相比，全向天線輻射的電磁波信號(hào)和能量是沿著天線水平周圍均勻輻射，可以實(shí)現(xiàn)水平面任意方位的電磁波的接收或發(fā)射，更適用于海、陸、空等等環(huán)境[2-3]大范圍覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，線極化天線也逐漸無(wú)法滿足通信系統(tǒng)性能不斷更新?lián)Q代的需求，圓極化天線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。全向圓極化天線綜合了全向天線的 360°全方位覆蓋和圓極化天信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)的兩大優(yōu)點(diǎn)，在遙測(cè)遙感、移動(dòng)通信、頻譜感知及電視廣播等無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用都有著非常重要的意義。

目前實(shí)現(xiàn)方法主要有三種:第一種是通過(guò)將圓極化單元、傾斜極化單元和正交線極化單元進(jìn)行按一定的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行排布[4-5]，采用合適的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電合成，實(shí)現(xiàn)天線的全向圓極化輻射。第二種是通過(guò)對(duì)向天線進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)圓極化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6-7]分別通過(guò)對(duì)全向天線加載高介電常數(shù)介質(zhì)單元和螺旋縫隙結(jié)構(gòu)，將線極化波分解成垂直極化波和水平極化波，形成固定相差的正交極化分量以形成圓極化輻射。第三種方法即采用多個(gè)天線組合[8-9]，通過(guò)具有全向性的不同極化分量的天線單元進(jìn)行組合，并使之形成90°的相位差，以此實(shí)現(xiàn)全向圓極化天線。最典型的結(jié)構(gòu)是環(huán)天線-偶極子形式，偶極子模型產(chǎn)生垂直極化波，環(huán)形天線產(chǎn)生水平極化波，通過(guò)調(diào)整天線結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射。以上方法性能各有偏重，但普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大的缺點(diǎn)，制約了全向圓極化天線的工程應(yīng)用。

本文基于對(duì)長(zhǎng)螺距四臂螺旋天線輻射特性的分析，提出了一種全向圓極化天線設(shè)計(jì)方式。通過(guò)螺距為1.2倍中心頻率波長(zhǎng)的長(zhǎng)螺距的四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射，采用微帶功分移相一體化網(wǎng)絡(luò)對(duì)四根螺旋臂進(jìn)行激勵(lì)。用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了天線全向圓極化輻射特性。為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)的正確性，加工了天線樣機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明在2～2.25 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.6,增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，水平面方向圖不圓度小于1.2 dB。天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，全向圓極化輻射特性良好等特點(diǎn)

1 全向圓極化天線原理

1.1 螺旋天線介紹

螺旋天線是一類由一根或多根導(dǎo)體繞成螺旋結(jié)構(gòu)的天線形式。典型的螺旋天線由一根導(dǎo)體繞制的螺旋結(jié)構(gòu)和金屬接地板組成，通過(guò)同軸結(jié)構(gòu)饋電。螺旋結(jié)構(gòu)一端與同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體連接，金屬接地板與同軸結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體相連。螺旋天線是一種三維結(jié)構(gòu)，描述其結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括：螺旋螺距、螺旋直徑、螺旋線直徑、螺旋周長(zhǎng)、螺旋升角、圈數(shù)、軸長(zhǎng)和單圈螺旋長(zhǎng)度等。其中最重要的參數(shù)是螺旋結(jié)構(gòu)的直徑(D)，當(dāng)直徑(D)與波長(zhǎng)(λ)的比值變化時(shí)，天線輻射模式產(chǎn)生變化。根據(jù)輻射模式的不同，螺旋天線可分為三類[8]，即法向模螺旋天線、軸向模螺旋天線和圓錐模螺旋天線，如圖1所示。

圖1 螺旋天線輻射模式示意圖

第一類是法向模螺旋天線，當(dāng)螺旋的直徑D很小，遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) λ 時(shí)(D<0.18 λ)時(shí)，天線的最大輻射方向在垂直于螺旋軸線方向的平面上，且在該平面內(nèi)方向圖為圓形分布，其三維方向圖類似于直線型偶極天線的方向圖。法向模螺旋天線尺寸結(jié)構(gòu)較小，可歸類于電小天線，多用于對(duì)講機(jī)、手持機(jī)的天線場(chǎng)景。第二類是軸向模螺旋天線，當(dāng)螺旋的直徑D增大時(shí)，天線的最大輻射方向逐漸向軸線方向移動(dòng)。當(dāng)螺旋天線的直徑增大到0.25～0.46 λ時(shí)，螺旋線的周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)，天線的最大輻射方向?yàn)檩S線方向，此時(shí)螺旋天線同樣具有良好的阻抗特性和圓極化特性，是實(shí)現(xiàn)圓極化天線的重要分支。軸向模螺旋天線的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)大于其余兩種模式的螺旋天線。第三類是圓錐模螺旋天線，當(dāng)螺旋結(jié)構(gòu)的直徑D進(jìn)一步增大到大于0.46 λ時(shí)，天線方向圖最大輻射方向會(huì)偏離軸線方向，能量向不同方向輻射，方向圖變成圓錐形。圓錐模螺旋天線的相關(guān)研究和工程應(yīng)用很少。

1.2 四臂螺旋天線原理

四臂螺旋天線是在軸向模螺旋天線的基礎(chǔ)上演化而來(lái)，可以看成四條幅度相等、相位以此相差90°單繞螺旋天線的組合。C.C Kilgus 在1968年提出了諧振式四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了四臂螺旋天線理論方面的研究[11-13]。四臂螺旋天線通常由四根等長(zhǎng)的均勻繞制在圓柱體上的螺旋線構(gòu)成，其中每根螺旋線長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，四根螺旋線分別由幅度相等，相位依次為0°，90°，180°，270°的信號(hào)饋電。典型的四臂螺旋結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有包括r0(螺旋半徑)、P(螺距)、n(螺旋圈數(shù))、Le(螺旋線長(zhǎng)度)及L(軸向長(zhǎng)度)，此外結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足下式。

(1)

其中：

天線四段螺旋線長(zhǎng)度Le通常為mλ/4，其中m=1,2,3…，當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，螺旋末端為開(kāi)路結(jié)構(gòu)，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，螺旋末端為短路結(jié)構(gòu)。

圖2 四臂螺旋結(jié)構(gòu)示意圖

四臂螺旋天線的工作機(jī)制可以通過(guò)簡(jiǎn)化模型法分析，首先考慮四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)的是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，兩條相對(duì)應(yīng)的螺旋臂看成是一個(gè)雙臂螺旋，這樣就可以將其分解成兩組正交放置，相位相差90°的雙臂螺旋結(jié)構(gòu)。由于雙臂螺旋上的電流幅度符合正弦曲線變化，其中電流極值位于饋電點(diǎn)和頂端，零點(diǎn)則位于螺旋臂中部，將每條螺旋臂簡(jiǎn)化成垂直的直線和水平的圓環(huán)，則其圓環(huán)在徑向部分所在的平面上，偶極子則垂直于該平面，因此雙臂螺旋結(jié)構(gòu)可以等效成用環(huán)-偶極子模型，通過(guò)分析正交放置，相位相差90°的環(huán)-偶極子組合來(lái)分析四臂螺旋天線的輻射場(chǎng)。通常四臂螺旋天線研究主要集中在天線的寬波束特性，通過(guò)調(diào)整螺旋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)賦形圓錐波束輻射，其波束寬度可達(dá)到100～240°。但對(duì)四臂螺旋天線的全向輻射特性研究報(bào)道很少。

1.3 四臂螺旋天線饋電方式

由于四臂螺旋天線的四根螺旋線幅度相位分布的特點(diǎn)，其饋電方式包括自相移饋電和外設(shè)的功分移相一體化網(wǎng)絡(luò)饋電兩種方式。自移向饋電[14-16]是通過(guò)改變相鄰螺旋臂的長(zhǎng)度的方式，使相鄰的螺旋臂來(lái)產(chǎn)生90°相位差；同時(shí)通過(guò)縫隙巴倫實(shí)現(xiàn)同軸線饋電時(shí)的不平衡-平衡轉(zhuǎn)變。具體實(shí)現(xiàn)方式是將四臂螺旋天線看成兩個(gè)正交放置的雙臂螺旋天線，為以標(biāo)準(zhǔn)的諧振長(zhǎng)度為中心，調(diào)節(jié)的兩個(gè)雙臂螺旋的臂長(zhǎng)，相鄰的螺旋臂一長(zhǎng)一短，這樣兩端的輸入阻抗一個(gè)呈容性一個(gè)呈感性，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)合適就會(huì)形成90°差；而巴倫會(huì)給兩個(gè)雙臂螺旋分別提供相位 0°和 180°、幅度相等的激勵(lì)信號(hào)，借此其最終能實(shí)現(xiàn)等幅正交饋電。外設(shè)的功分移相一體化網(wǎng)絡(luò)則是把功率分配和相位偏移功能集成到一起的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為五端口網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)輸出端口需滿足幅度相等，相對(duì)相位關(guān)系為0°、90°、180°和270°。外設(shè)的功分移相一體化網(wǎng)絡(luò)的原理是由功分器、移相器和耦合器等進(jìn)行級(jí)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)支路端口的幅度和相位分布。實(shí)現(xiàn)形式有多種，包括串饋式饋電網(wǎng)絡(luò)[17]、威爾金森功分器加移向傳輸線網(wǎng)絡(luò)[18]、3 dB電橋級(jí)聯(lián)而成的饋電網(wǎng)絡(luò)[19-20]以及威爾金森功分器和3 dB電橋混合級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1 四臂螺旋天線設(shè)計(jì)

本文在四臂螺旋天線方向圖的寬波束特性進(jìn)一步探索，分析了四臂螺旋的螺距對(duì)方向圖的影響。可知當(dāng)螺距大于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，天線的最大輻射方向會(huì)逐漸趨向于螺旋結(jié)構(gòu)的法線方向。優(yōu)化螺旋線結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)天線的全向輻射。本文提出的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，其螺旋線采用金屬涂層結(jié)構(gòu)，通過(guò)激光直寫(xiě)式3D打印技術(shù)將金屬涂層印制在介質(zhì)筒上，介質(zhì)筒材料采用玻纖聚氰酸酯復(fù)合材料。玻纖聚氰酸酯復(fù)合材料具有高強(qiáng)度高模量和低密度的特點(diǎn)，又是良好的介電材料能透過(guò)電磁波，耐腐蝕性和耐紫外線性能良好，是航空航天使用的理想增強(qiáng)材料之一。該材料成型技術(shù)相對(duì)比較復(fù)雜，通常采用熱壓罐固化成型法。在介質(zhì)筒制做時(shí)，根據(jù)介質(zhì)筒尺寸制作模具，波纖維預(yù)浸料采用等層間角度間隔設(shè)計(jì)方案，按照模具刻線對(duì)不同角度的預(yù)浸料在模具上進(jìn)行鋪覆。在鋪覆過(guò)程中，要求預(yù)浸料無(wú)褶皺、架橋、搭接、缺失等情況。通過(guò)熱壓罐中固化最終成型，完成介質(zhì)支撐的的制備。傳統(tǒng)的曲面圖案制造方式先在平面上制備導(dǎo)電圖形，然后通過(guò)轉(zhuǎn)印等工藝再將導(dǎo)電圖形印制在三維基體表面之上，或者使用整體電鍍+激光燒蝕等方式直接在基體表面制備導(dǎo)電圖形。這些方法普遍存在工藝復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、復(fù)合材料基體受損傷等問(wèn)題。直寫(xiě)式3D打印技術(shù)的是通過(guò)3D打印技術(shù)在曲面上制備的具有導(dǎo)電特性的特定圖形。該技術(shù)金屬涂層制備周期短，對(duì)原材料基體無(wú)損傷，空間利用率高，實(shí)現(xiàn)的金屬圖形能與基體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高度融合和集成。對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定天線的螺距為p=170 mm，天線直徑為r0=15 mm，螺旋線寬度w=3 mm，螺旋圈數(shù)為n=0.5，天線通過(guò)下端饋電，天線頂部為開(kāi)路。四根螺旋線激勵(lì)信號(hào)幅度相等，相對(duì)相位依次為0°、90°、180°和270°。天線方向圖仿真結(jié)果如圖4所示，由計(jì)算結(jié)果可知，四臂螺旋結(jié)構(gòu)的最大輻射方向?yàn)樗矫娣较?，具有良好的全向輻射特性?/p>

圖3 四臂螺旋模型示意圖

圖4 天線三維方向圖計(jì)算結(jié)果

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖5 威爾金森網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.3 天線整體設(shè)計(jì)

根據(jù)四臂螺旋和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)果，建立全向圓極化天線模型，進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。四根螺旋線下端通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)板上的金屬化過(guò)孔與饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)支路端口連接，天線整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。天線的方向圖計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。與四臂螺旋結(jié)構(gòu)的方向圖相比，天線的最大輻射方向?yàn)樗矫娣较?，保持了良好的全向輻射特性。但由于饋電網(wǎng)絡(luò)各端口幅度和相位分布與理論分布存在一定差異的影響，天線方向圖的波束均勻性產(chǎn)生一定惡化，由計(jì)算結(jié)果可知天線的波圓度小于0.7 dB。

圖7 天線模型示意圖

圖8 天線計(jì)算垂直面方向圖

圖9 天線計(jì)算水平面方向圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 天線樣機(jī)加工

根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果，加工制作了四臂螺旋結(jié)構(gòu)。首先加工了玻纖聚氰酸酯復(fù)合材料支撐筒，然后通過(guò)直寫(xiě)式3D打印技術(shù)在支撐筒表面上進(jìn)行金屬螺旋線的加工；采用微波介質(zhì)板加工制作了功分移相一體化饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)支路端口有金屬過(guò)孔。為提高網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境耐受性，對(duì)微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的銅箔進(jìn)行了表面處理，處理工藝采用沉錫工藝。沉錫工藝是基于金屬銅和溶液中的錫離子的置換反應(yīng)，在銅箔表面形成平坦的銅錫合金化合物，該工藝提高饋電網(wǎng)絡(luò)的焊接可靠性，同時(shí)又能對(duì)銅箔起到防氧化、防腐蝕的作用。零件加工完成后，對(duì)全向圓極化天線進(jìn)行了整體裝配，螺旋結(jié)構(gòu)的四根螺旋線通過(guò)穿過(guò)4個(gè)支路端口的過(guò)孔的銅探針焊接在一起。在饋電網(wǎng)絡(luò)饋電點(diǎn)處焊接了用于測(cè)試的電纜和SMA同軸接插件。天線樣機(jī)如圖10所示。

圖10 天線樣機(jī)照片

3.2 天線樣機(jī)測(cè)試方法

天線裝配完成后，采用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在微波暗室中對(duì)天線樣機(jī)的電性能(電壓駐波比、增益方向圖和軸比等特性)進(jìn)行了測(cè)試。

3.2.1 電壓駐波比測(cè)試

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)全向圓極化天線的電壓駐波比測(cè)試。測(cè)試前預(yù)先打開(kāi)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行預(yù)熱；狀態(tài)穩(wěn)定后，設(shè)置起始終止頻率，進(jìn)入校準(zhǔn)界面，按順序?qū)㈤_(kāi)路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)件依次連接到儀器端口進(jìn)行校準(zhǔn)；校準(zhǔn)完成后，將天線連接到儀器端口，可直接測(cè)試出天線的電壓駐波比曲線，將電壓駐波比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到矢量網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)分析儀中。

3.2.2 方向圖測(cè)試

天線的方向圖測(cè)試采用場(chǎng)地遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試。遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試測(cè)試天線方向圖時(shí)，收發(fā)天線之間的測(cè)試距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即收發(fā)天線之間的距離R滿足下式：

(2)

式中，R為收發(fā)天線之間的距離；λ為工作波長(zhǎng)；D為待測(cè)天線口徑(線天線為天線最大線尺寸)。

根據(jù)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，在微波暗室中搭建測(cè)試環(huán)境，發(fā)射天線采用性能參數(shù)已知的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線。標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線為線極化天線,其極化方向與窄邊平行(H面喇叭),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝的特點(diǎn)。全向圓極化天線固定在接收轉(zhuǎn)臺(tái)上。標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線與全向圓極化天線架設(shè)高度相等，距離5 m，遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)距離。天線架設(shè)完成后，標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)源連接，全向圓極化天線與測(cè)試系統(tǒng)的頻譜儀連接。完成測(cè)試環(huán)境搭設(shè)后，啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)圓極化全向天線，使天線波束中心對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)塔的源天線。依據(jù)天線測(cè)試要求以及天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度，合理設(shè)置頻譜儀的工作狀態(tài)等；將全向圓極化天線轉(zhuǎn)動(dòng)一周，頻譜儀實(shí)時(shí)記錄待測(cè)天線的方位方向圖，并將記錄曲線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的電腦中，即得到天線的方向圖測(cè)試結(jié)果。改換測(cè)試頻率，重復(fù)上述步驟可測(cè)得其它頻率點(diǎn)的天線方向圖。

由于利用線極化天線測(cè)試圓極化天線方向圖時(shí)存在極化失配，因此需做一定的處理才能得到天線的增益。具體做法是，分別測(cè)出發(fā)射天線處于水平極化和垂直極化時(shí)的兩組數(shù)據(jù)，水平極化和垂直極化信號(hào)在空間是相互正交的，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)兩組增益數(shù)據(jù)進(jìn)行處理合成，即可得到圓極化天線的方向圖。得到方向圖后，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線方向圖進(jìn)行積分計(jì)算，即可得到天線的增益。

3.2.3 軸比測(cè)試

根據(jù)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，在微波暗室中搭建測(cè)試環(huán)境進(jìn)行軸比測(cè)試，發(fā)射天線采用性能參數(shù)已知的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線。標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線和全向圓極化天線分別固定在發(fā)射和接收轉(zhuǎn)臺(tái)上，加電預(yù)熱使測(cè)試系統(tǒng)儀器設(shè)備工作正常；轉(zhuǎn)動(dòng)全向圓極化天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，使其在同一直線上。合理設(shè)置頻譜儀的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線軸線繞其軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大于180°，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的頻譜分析儀記錄信號(hào)電平的變化；利用頻譜分析儀的Marker功能，讀取所測(cè)曲線的最大值為Pmax(dBm)，最小值為Pmin(dBm)，則根據(jù)下式計(jì)算出待測(cè)天線的軸比。

AR=Pmax-Pmin

(3)

重復(fù)上述步驟可測(cè)得其它頻率點(diǎn)的軸比結(jié)果。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述測(cè)試方法對(duì)全向圓極化的電壓駐波比、方向圖、增益和軸比進(jìn)行了測(cè)試。圖11給出天線的電壓駐波比計(jì)算與測(cè)試結(jié)果，其中實(shí)線為計(jì)算結(jié)果，虛線為測(cè)試結(jié)果。由圖可知，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果兩條曲線的趨勢(shì)基本一致，天線在2～2.25 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.6。可知該天線在帶寬內(nèi)具有良好的阻抗特性。但從該頻段內(nèi)的曲線的起伏程度看,測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有一定的差異。這是由于天線在裝配時(shí)，饋電網(wǎng)絡(luò)的支路端口與四臂螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋螺旋線通過(guò)銅探針焊接在一起，由于裝配誤差的影響，4根探針焊接狀態(tài)存在差異，并不能完全實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型中連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu),所以對(duì)天線電壓駐波比性能造成了影響。

圖11 計(jì)算與測(cè)試電壓駐波比

圖12和圖13給出了天線在中心頻率的垂直面和水平面的測(cè)試方向圖。由天線的實(shí)測(cè)方向圖可知，天線的最大輻射方向在天線的水平面，天線水平面方向圖不圓度小于1.2 dB，表明該天線具有良好的全向圓極化特性。但與計(jì)算結(jié)果相比，天線的方向圖的均勻性和不圓度均略有差異。經(jīng)過(guò)分析引起方向圖性能出現(xiàn)差異的主要是兩個(gè)原因，第一個(gè)原因是由于饋電網(wǎng)絡(luò)為不等分網(wǎng)絡(luò)，兩支路的微帶線線寬差值僅為0.2 mm，由于微帶印制板加工精度限制，支路線寬與設(shè)計(jì)尺寸存在微小誤差，會(huì)對(duì)支路的端口幅度分布產(chǎn)生影響；第二個(gè)原因是四臂螺旋結(jié)構(gòu)的氰酸酯復(fù)合材料支撐筒成型后未進(jìn)行二次加工，存在壁厚不均勻的現(xiàn)象。由于不同的壁厚對(duì)螺旋線的介質(zhì)加載效應(yīng)不同，會(huì)對(duì)螺旋線上的電流分布產(chǎn)生影響。圖14和圖15分別給出了天線增益和軸比計(jì)算和測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明天線在工作帶寬內(nèi)增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，測(cè)試與計(jì)算結(jié)果存在差異但基本吻合。由測(cè)試結(jié)果可知該天線具有良好的全向圓極化輻射特性，在阻抗帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的增益特性和軸比特性。

圖12 天線垂直面測(cè)試方向圖

圖13 天線水平面測(cè)試方向圖

圖14 計(jì)算與測(cè)試增益

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)螺距四臂螺旋天線輻射特性的分析，設(shè)計(jì)了一種工作在S頻段的全向圓極化天線，通過(guò)螺距為1.2倍中心頻率波長(zhǎng)的長(zhǎng)螺距的四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全向圓極化輻射，采用微帶功分移相一體化網(wǎng)絡(luò)對(duì)四根螺旋臂進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)幅度相等，相對(duì)相位為0°、90°、180°和270°。根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)激光直寫(xiě)式3D打印技術(shù)制作了天線樣機(jī)。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出采用外設(shè)饋電網(wǎng)絡(luò)的的長(zhǎng)螺距四臂螺旋天線，用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了天線全向圓極化輻射特性，天線電壓駐波比在2～2.25 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.6, 在工作帶寬內(nèi)增益大于1.7 dBi，軸比小于3 dB，水平面方向圖不圓度小于1.2 dB。該天線為某工程項(xiàng)目的電氣原理樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果均滿足使用需求。為面向工程應(yīng)用，后續(xù)將會(huì)開(kāi)展工程適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括裝聯(lián)工藝、安裝載體對(duì)天線性能的影響分析和結(jié)構(gòu)可靠性、可加工性設(shè)計(jì)。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、易加工裝配等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)越的全向圓極化天線。該天線方案中相關(guān)技術(shù)還可應(yīng)用于線極化全向天線，在移動(dòng)通信、雷達(dá)、頻譜監(jiān)測(cè)、遙測(cè)遙感，射電天文及電視廣播等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。