平面螺旋天线论文

平面螺旋天线论文（共4篇）

平面螺旋天线论文 篇1

二十世纪五十年代，科学家们为了研制出多个倍频程以上带宽的超宽频带天线，对天线所有参量进行了大量的研究，得出了当天线外形只由角度决定，而不包含线性长度时，天线的电性能就不受频率改变的影响的结论。根据这一结论，最终研制出了平面螺旋(平面等角螺旋)、圆锥螺旋、对数周期等多种超宽频带天线辐射器，频带宽度能够达到几十个倍频程。尽管天线辐射器的频带宽度能够做到很宽(几十甚至上百个倍频程)，但是当作为天线使用时，它的频带宽度常常会受到结构的限制而达不到要求。另外，受加工工艺的限制，传统的天线频率很难做到18GHz以上。本文将重点分析平面螺旋(平面等角螺旋)天线的基本工作原理、电气性能等，藉此总结出影响天线频带宽度和高频加工难度的因素，提出改进措施和设想，为从事平面螺旋天线研究的人员提供非常有益的帮助。

一、国内外平面螺旋天线使用现状

平面螺旋天线已经发展了几十年，相对于国内的技术水平，国外发展的比较成熟。有资料显示的国内平面螺旋天线频率做到0.5～40GHz，其中18～40GHz频段采用脊波导馈电结构。国外已经有0.5～100GHz频带的产品，0.5～18GHz天线采用金属反射腔填充吸收材料的方式，馈电balun为普通的宽频带balun。图1为美国AEL开发的2～100GHz组合螺旋天线，该天线设计思路比较独特，采用分频段设计，分别由2～18GHz变形平面螺旋天线、18～40GHz平面螺旋天线和40～100GHz脊喇叭天线组合而成。

二、平面螺旋天线和平面等角螺旋天线的工作原理

(一)曲线方程。

1．平面螺旋的曲线方程。

曲线方程:r=a(φ±δ/2)，其中，a为螺旋增长率，φ为方位角。各参数所代表的意义如图2所示。

参数方程:

对于自补型，δ=п/2，这时，相邻两条辐射臂之间的空气缝隙与螺旋辐射臂具有相同的宽度。

2．平面等角螺旋的曲线方程。

曲线方程:r=r0eaφ

参数方程:

(二)工作原理。

平面螺旋辐射器和平面等角螺旋辐射器的参数计算在很多资料中都有，这里不再赘述。平面螺旋天线和平面等角螺旋天线的工作原理基本相同。平面螺旋的辐射臂从内向外都是等宽的。平面等角螺旋的辐射臂从内向外逐渐展宽，到了最外圈时已经变得很宽。因此平面等角螺旋的优点是对加工工艺的要求不像平面螺旋那样严格。由曲线可以看出，在低频时(主辐射区在螺旋的外圈)，由于平面等角螺旋的辐射只有很小的两块，并且没有布满一圈，因此平面等角螺旋的缺点是在低频时圆极化性能不如平面螺旋好。下面只以平面螺旋天线为例作介绍。

1．辐射机理。

如图4所示。对于自补型平面螺旋天线，从A点沿螺线绕到P点的行程与从B点沿另一根螺线绕到Q点的距离相等。P、Q两点在以O为中心的圆上，圆半径r=OP。当PP’=Δr很小时，从P沿螺线绕到A点与从P’绕到B点的行程相差约为πr(圆周长的一半)。

当从A、B两点反相馈电时，则P、P’两点的相位差为。如果圆周长，则相位差变为2π，即P、P’两点电流同相，因而有最大辐射。因此，平面螺旋的主辐射区是集中在平均周长为一个波长的那些环带上，频率改变时，主辐射区随之变动由此引起的方向图变化不大，这也就是平面螺旋天线具有宽频带的原因。主辐射区平均周长为一个波长的辐射也叫做一阶模辐射。

按照上面的计算，当沿着螺线继续扩大到周长等于两个波长时，线上相邻两点的电流反相，该区域没有辐射。再继续扩大到三个波长时，相邻两点又同相，该区域产生三阶模辐射。如果螺旋的直径足够大，还会产生五阶模、七阶模辐射。三阶模辐射的主辐射区直径是一阶模辐射主辐射区直径的三倍，假设产生三阶模辐射的频率为f0，则该频率的三阶模辐射主辐射区与频率为的一阶模辐射主辐射区重合。基于这一点，采用金属反射腔要同时增强f0的三阶模辐射和的一阶模辐射几乎是不可能的，同样也很难实现既增强的一阶模辐射又同时抑制f0的三阶模辐射。这就是金属反射腔带宽一般只能做到2.5个倍频程左右的原因。

上面介绍的一阶模和三阶模是从A、B两点反相馈电的，辐射沿着平面螺旋轴线，这种模式称为轴向模。

当A、B两点同相馈电时，按照上面的计算方法，一阶、三阶模不辐射，只有二阶模辐射，这时的方向图为倒“8”字形，与垂直单极子天线方向图相似，因此二阶模又称为法向模。

2．基本尺寸计算。

螺旋内部半径，外半径。相应频率主辐射区处金属反射腔深为四分之一波长。为保证低频端驻波比和轴比性能，通常金属反射腔的半径取为。这些计算只是一般的平面螺旋的计算，对于小型化天线来说，这些公式需要做一些修改。

3．基本特性。

平面螺旋的特性阻抗约为120～160Ω，加金属反射腔时的增益约为4～6dB。

三、已经仿真过的天线形式

(一)平面螺旋形式。

已经仿真过的平面螺旋形式如图5所示。

图(a)为普通的双臂平面螺旋，图(b)为矩形平面螺旋，图(c)为偏心平面螺旋，图(d)为四臂平面螺旋。

普通平面螺旋计算公式与2.1相同。矩形平面螺旋的边长约为波长的十分之一。偏心平面螺旋一般用在结构比较特殊的场合，方向图会略微偏离轴向。四臂平面螺旋多用于跟踪寻的，作为普通的单元天线使用时，馈电较双臂平面螺旋困难。

除上面四种平面螺旋外，还有螺旋末端用柱螺旋接地的形式，可以减小螺旋直径;螺旋末端做成锯齿形，可以改善低频轴比和增加带宽;在螺旋臂末端用几十个电阻加载(或者渐变涂覆碳层)、渐变涂覆吸收材料等形式，可以大大改善天线低频性能，但是这些形式的天线加工和建立仿真模型非常困难。

(二)金属反射腔形式。

目前了解到的金属反射腔主要有图6所示的三种形式。三种反射腔中，以图(a)的形式使用最为普遍，因为我们通过比较发现，与图(a)相比，图(b)和图(c)两种反射腔的天线性能并没有明显的改善。

(三)平衡不平衡变换器(balun)。

我们已经仿真过了很多种平衡-不平衡变换器，图7是所有balun中性能最好的一种，该balun结构简单，易于加工。在20:1倍频程内驻波比小于1.1，这种balun的纵向尺寸约为中心频率波长的二分之一。

(四)波束等化器波束等化器如图8所示。

波束等化器对改善天线方向图的作用非常明显。但是波束等化器的尺寸通常都会比较大，适合于对尺寸要求不高的场合。

四、发展及设想

(一)发展。

我们研究平面螺旋天线的目的主要是期望从以下四个方面获得比较大的突破:一是宽频带应用;二是等化波束;三是高频应用;四是小型化。这四个方面代表了平面螺旋天线未来的发展方向，无论在哪一个方向取得进展，都会极大地拓展平面螺旋天线的应用领域。

(二)设想。

针对平面螺旋天线未来的四个发展方向，提出以下设想以供参考。

1．宽频带应用。

主要是解决反射腔的问题，包含两个方面:一是采用异形反射腔;二是腔体内填充吸收材料。采用异形反射腔的优点是天线效率比较高，可以提高天线增益，但是要获得宽频带，反射腔的形状需要仔细设计。腔体填充吸收材料的优点是天线频带宽度可以做得很宽，这取决于吸收材料的性能，缺点是天线效率比较低。在仿真设计时，吸收材料与天线辐射体表面的距离对天线性能的影响非常大，需要仔细设计。另外，实际的吸收材料性能是渐变的，这虽然可以大大提高材料的吸收性能，但是却给仿真参数设置增大了难度。

2．等化波束。

前面的波束等化器是比较常用的一种等化波束的方法，波束等化效果也比较好，但是这种波束等化器会大大增加天线尺寸。我们应该从天线结构、原理方面来解决天线波束等化的问题。例如，采用自补型的平面螺旋天线就能够提高天线波束等化效果。

3．高频应用。

我们现在平面螺旋在高频的应用主要是受到中心馈电点尺寸加工工艺的限制，如果能够从螺旋臂末端馈电、用非接触式馈电结构(如波导照射、耦合结构)，则螺旋中心部分尺寸理论上可以做到无限小，也就是天线的高频频率可以达到无限高。目前已经见到的类似做法是，将螺旋做成槽线结构，在螺旋臂末端采用微带线到槽线过渡的馈电结构，如图9所示。这很符合我们的设想，但是微带线到槽线过渡结构的频带宽度相对于平面螺旋的频带宽度来说非常窄，因此这种结构能够实现窄频带时的高频工作。

4．小型化。

在工作频率比较低的情况下，按照2.2中计算公式得到的平面螺旋天线尺寸一般都比较大，在很多场合(特别是弹上环境)都无法应用。因此有必要对这类天线进行小型化设计。我们已有的做法是利用相同频率时柱螺旋直径比平面螺旋小这一现实，在平面螺旋臂末端连接一个相同直径的柱螺旋，仿真和实测结果都证明这种结构能够减小天线尺寸，但是结构实现上略有难度。

五、结语

平面螺旋天线在我所已经应用了多年，技术上一直是遇到什么问题解决什么问题，没有做过专门的技术攻关，这次平面螺旋天线专题研究课题组的成立，就是为了在宽频带应用、等化波束、高频应用、小型化等四个方面进行技术攻关，提高我所平面螺旋天线的技术水平，拓展平面螺旋天线的应用领域。

摘要：本文通过分析平面螺旋天线的基本原理,得出了平面螺旋辐射器和腔体固有的影响频带宽度和加工难度的因素,提出了改进措施和设想,为其他从事平面螺旋天线研究的人员提供非常有益的帮助。

关键词：平面螺旋天线,反射腔,balun

参考文献

[1].滕秀文.电子战用平面螺旋天线.机电部29所

[2].RICHARD C.JOHNSON《ANTENNA ENGINEERING HANDBOOK》Third Edition,R.R.Donnelley&Sons Company.1993,14:1～14:29

[3].王元坤,李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995

[4].Wen-Zhou Wu,Tze-Hsuan Chang,and Jean-Fu Kiang《Broadband Slot Spiral Antenna with External Feed and Microstrip-to-Slotline Transition》Department of Electrical Engineering and Graduate Institute of Communication Engineering National Taiwan University,Taipei,Taiwan,ROC

平面螺旋天线论文 篇2

射频识别(RFID)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术,在RFID系统中,所采用的天线主要分为标签天线和读写器天线,而标签天线是系统中最易变的部分,不同的环境和频率要求具有不同的特性参数天线,在日益注重小型化的天线领域,故其设计面临着小型化,轻质量,低损耗,低成本的现实要求。

平面等角螺旋天线是上世纪五十年代中期出现的一类频率无关天线,它的方向图,阻抗,幅频特性在很宽的频带内能保持不变,并且能在θ≤70°锥形范围内接近圆极化,是标签天线的极佳设计选择。

本文所提出的新的阻抗变换方式无需再额外增加巴仑来实现阻抗变换,从而不必占用额外多的空间来容纳电缆或者微带渐变巴仑,并且有较好的性能。

1 天线设计

1.1 设计目标

设计一款工作于860MHz～960MHz的平面等角螺旋天线,要求在此频段内实现圆极化特性,并且能保证天线尺寸在14cm×14cm范围的情况下实现S11<-15dB,最大增益≥5dB。

1.2 平面等角螺旋天线

平面等角螺旋天线是一个完全由角度确定形状的天线,天线的外形可由极坐标表示。等角螺线为一平面曲线,它由下式确定

r=roeαφ

其中,r、φ分别为极坐标的矢径与幅角,r0为内半径,undefined为螺旋率,决定了螺旋线张开的快慢。随着螺旋圈数增加,矢径就增加系数e2πa。

对于双臂等角螺旋天线,等角螺旋天线的每一个臂都有一定的宽度,且都是由两条起始角相差为δ的等角螺旋线构成。天线一个臂的两个边缘可以由以下两式表示r1=roeaφ,r2=roea(φ-δ),第二条臂由下列两式确定r3=roea(φ-π),r4=roea(φ-π-δ),可以看到,一条臂旋转180°就可以得到另一条臂,天线设计图如图1所示[1]。

天线的形状由四个参量决定,臂长L,最小半径ro,张率a,螺旋线的角宽度δ。螺旋升角a决定螺旋率,参考文献指出a的取值应在[0.2,1.2],典型值为0.221,实际上a越小,天线缠绕越紧,尺寸越小,为达到所需性能,需要更长的臂长。从尺寸考虑,选a为0.133。

对于自补平面等角螺旋天线,臂宽因子δ=π/2,此时方向图对称性最好,但也并非一定要用这样的方式构置。事实上为了得到较好的轴比,需背离自补原则,故此处取为135°。

螺旋臂长L是指螺旋沿臂中心线的长度,其计算公式为

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对于天线臂长L比波长短得多的频率而言,辐射场是线极化的,当频率增加,或者臂长增加,在与天线平面垂直的轴上,辐射场变成椭圆极化,甚至圆极化。换而言之,低频段的截止频率限定了L的取值下限。设计天线低频为860MHz,这里低频段截止频率设为800MHz, 故L≥λ800MHz=37.5cm。

旋转角度φ对应着旋转圈数,一般而言一圈半到三圈都可以。正是因为a取值较小,天线尺寸较小使得需要更多的圈数满足L≥λ800MHz的条件,也即a和圈数(或者说L参数)两者呈反增长关系。

采用一般阵子结构的平面螺旋天线在重量和结构方面不如用微带形式的平面螺旋天线优越,现在印制板设计和制作已经很成熟,采用印制板形式的平面螺旋天线在重量和携带性方面更占优势。印制天线的尺寸与基板的相对介电常数εr成反比, 高εr的介质基板可用于天线的小型化设计,但过高的介电常数会直接降低天线的辐射效率, 所以需要权衡选择基板的相对介电常数εr。从制作成本和天线性能方面双向考虑,在设计中选用FR-4板,其介电常数为4.4。

平面螺旋天线的辐射是双定向边射式的,相对于天线平面两侧各有一个宽波瓣,且增益仅几个dBi。为了减小背瓣,得到单向辐射,并且增加增益,采用附加反射腔体。此反射腔体应置于距离天线平面λm/4处,此时天线向地面方向辐射的场经反射腔体反射,向Z轴正向辐射,由此两路辐射总相位差为2π,在天线上半平面,为叠加场,同相辐射。值得注意的是,此处的波长应为介质中的波长,由FR-4板的介电常数计算可得反射腔与天线平面距离之间距离为5cm。

天线的中心馈电点处结构的精细程度决定了带宽的上限频率,而低频段很大程度上受限于天线的外围直径,也可以说是受限于臂长。因此在实际天线中中心部分宜用直的形状或者尖劈形状来终止,如图2所示。

经各个参数的调整,最后得到的S11参数图如图3中深色线所示,可以看到未能满足S11<-15dB的频段仍然较大,究其原因主要是因为馈电的同轴线是非平衡传输线,而平面等焦角旋天线是平衡系统,直接馈电并未实现不平衡至平衡的转换,也未实现阻抗变换,导致天线的各项性能较差。

天线的输入阻抗取决于参数δ和a,以及馈端的间隔,随着频率增加,天线的输入阻抗很快收敛,对于L>λ的频率而言,输入阻抗较为固定。理论上,厚度为零的天线的阻抗随频率的增加而收敛到特性阻抗。在厚度为有限的情况下,由于不是均匀的传输线,因此就没有均匀的特性阻抗。但对于相当薄的天线,阻抗可以稳定在某个范围内。

仿真所得天线阻抗比188ohm低,因为实际天线的有限长度,实际天线的有限长度,有限厚度以及非理想馈电条件所致。

2 馈电方式

2.1 同轴馈电,小铜片实现阻抗变换

传统的平面等角螺旋天线馈电方式是用同轴电缆嵌进接地板或焊接在地板上,以完全平衡 的姿态 向天线馈电,但是这种馈电方式有一个缺陷,即需要在天线两臂之间留有足够大的间隙以容纳电缆[2,3]。而在体积较小的印制板天线系统中,如此馈电显然既难操作也不合适,因此引进新的馈电方法尤为必要。

中心馈电部分用标准的50欧姆同轴,同轴的内外导体各连接天线的一个臂。距离同轴内导体相连的天线臂往外辐射为135°的位置放置一小铜片,并且使得该铜片与天线臂平面成15°的倾斜角,构成电容加载,其目的是改善阻抗,使得天线的阻抗降到标准同轴线的50欧姆,实现了阻抗变换。

小铜片的位置仿真时选取了四个典型位置仿真,其结果如图4所示。

从图5可见,135°以及90°性能都较好,并且从图中直观得出的结论是90°的情况下,天线在整个所需频段内实现了较好的S11。而事实上,从优化轴比角度来看,选择135°是最适合的。

未加该铜片之前,天线双臂是对称的,加了该铜片形成电容后,整个天线变成不对称结构,但考虑到只需上半空间的辐射,故这里天线结构即便不平衡,对结果也没有很大影响。

铜片的大小经过优化得到最适合的大小为6.5mm×6.5mm,加上铜片之后仿真结果如图3中浅色线所示。对于未加铜片时的S11,可以看出效果明显变好,在整个频段内基本实现S11<-15dB。

由此,列出整个天线仿真的轴比以及增益图如图6所示。可见天线的轴比在θ=0°时轴比为1.92dB,而最大增益为9.2dB,除了轴比稍差之外,其余参数基本满足设计要求。

2.2 实物天线测试结果对比

经由安捷伦的E8363C型号的矢量网络分析仪测得与本设计相一致的实物天线图7(a)的S11测量图如图7(b)所示,其中深色线和浅色线分别为背板腔与天线平面距离为3.6cm与3.98cm时的S11。对比图3中的浅色图线和图7(b)的浅色图线,可以看到在860MHz～960MHz的范围内,两个基本吻合。

由此可见,在馈电附近采用小铜片进行阻抗变换的设计能够较好的满足实际生产需要。

3 结束语

提出一种新的平面等角螺旋天线的阻抗变换方式,采用HFSS仿真软件在对天线的各个参数对其影响进行研究,并且在860MHz～96MHz的工作频段上实现了S11<-215dB的性能。并且相对于一般阵子结构的平面等角螺旋天线,采用印制板形式的微带螺旋天线在重量和结构紧凑方面更加优越,从实物天线的性能测试中可见该种新的馈电方式的天线设计能在宽带范围内实现更好的性能,对于天线的实际生产来说更为实用可取。

参考文献

[1]Warren L Stutzman,Gary A Thiele.天线理论与设计[M].朱守正,安同一,译.人民邮电出版社,2006.

[2]宋朝晖,邱景辉,等.一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究[J].制导与引信,2003,24(2).

小型短波螺旋天线的设计与实验 篇3

短波通讯是军事通讯中的重要手段，但水平极化的短波天线架设面积大，而垂直极化的短波鞭状天线几米高，移动非常不方便。因此设计一种体积小，增益高，用于背负式电台的螺旋天线，达到移动中通信的目的。美国ANSOFT公司的CST，它提供了一个交互式的界面以简化设计输入，能计算任意形状的无源物体的S参数和各种场的解，场求解的精确程度可通过迭代次数决定。本文在用螺旋天线代替鞭状天线的情况下，将一只寄生螺旋与一只受激的单绕法向模螺旋天线互不接触的间绕，并用CST软件将所设计的螺旋天线进行了仿真、修改，得出了一系列有用的数据;依据仿真结果制作天线，并与现有的短波加载鞭状天线进行了对比试验。结果证明在相同条件下，小型螺旋天线性能与10米加载鞭状天线增益相差4～5d Bi，是一种有发展前途的短波天线。

（二）仿真设计与分析

1. 螺旋天线结构与分类

D为螺旋的直径，h为螺距，△为螺距角，L为螺旋天线的长度，N为圈数，C为螺旋线周长，S为圈间间距，螺旋天线可以工作在三种模式：法向模，轴向模和圆锥摸。

(1)法向模产生的辐射大部分趋向于垂直于螺旋线轴的方向，当螺旋线直径远小于一个波长时(D/λ<0.18或C<0.5λ)，就出现上述情况。

(2)轴向模提供的最大辐射是沿着螺旋线轴的方向，当螺旋线的周长等于波长大小时(D/λ<0.25～0.46或C=(3/4～3/4λ)，就产生轴向模。

(3)圆锥模式 (/0.64Dλ≥或C/λ≥4/3) 此时天线最大辐射方向偏离其轴线，形成圆锥波束。

2. 法向模螺旋天线

法向模螺旋天线的结构特点是其结构尺寸远小于波长，如螺旋直径D<<λ，一圈周长C<<λ，它实际上是一种分布式的加载天线，即在整个鞭状天线中作感性加载。这种法向模螺旋天线广泛应用于短波、超短波的各类小型电台中，由于是一圈圈绕制而成，长度为l的螺旋天线，与同样长度的对称振子天线相比辐射更强，辐射电阻更大。分析这种天线，可以把它看作是由n个合成单元组成。每个合成单元由一个圆环与一个偶极子组成，如图4所示：

由于螺旋直径D≤λ，螺距h≤λ，则合成单元上的电流可以认为是等幅同相的，该单元在远区的辐射场由两部分产生，一是由长度为h的短偶极子产生的场Eθ，一是电小圆环产生的场Eq，由此可得长为h的基本振子的远区辐射场为：

电小圆环(直径为D)产生的场为：

则一圈的合成场为E=θEθ+ϕEϕ(3)

Eϕ和θE在空间互相垂直，时间上相位差π/2，因此合成场为圆极化波，这两个分量的大小之比称为极化椭圆的轴比AR:

当图1中的Δ由0°→90°时，其极化特性变化过程为：水平线极化→水平椭圆极化→圆极化→垂直椭圆极化→垂直线极化。

3. 法向模螺旋天线仿真和计算

由于伞兵着陆后所用天线是要靠地面波来传播, 用低仰角全向辐射。所以该天线是用法向摸螺旋天线，由于所用频段为26M—28M，中心频率点27M，用1/4λ长的1mm漆包线绕在20mm直径的玻璃纤维棒上，绕制辐射线圈73圈，两螺旋线圈之间的间距为11mm，所以(D/λ=0.0057，螺旋天线总长800mm，长度大小在实用中很方便。天线效率定义为

所以该螺旋天线效率公式写为：

由此式可计算出天线的效率和高度成正比，天线高度设计较低时天线效率也降低。

螺旋天线阻抗匹配，此天线的阻抗用矢量网络分析仪测出值为53Ω—j42PF，阻抗呈容性，符合电小天线特性，在天线底端加26圈电感线圈匹配后，测出值为

（三）通信测试与改进

1. 天线对比测试

标准场地测试结果，发射16 dBm, 发射天线和接收天线相距200米，10米鞭状天线的增益为27M时为5d Bi，螺旋天线的在相同接收天线，功率和距离的情况下接收天线接收电平比鞭天线小5d Buv，如图9所示，所以螺旋天线的增益1d B左右，和仿真结果相同，若将一支寄生螺旋与一支受激的单饶轴向螺旋天线互不接触地间绕(直径相同)，这种组合将使增益提高约1d Bi而不会增加天线的轴向长度，并可将寄生螺旋理解为受激螺旋的引向器。

2. 电磁波空间传播损耗理论计算

视距内自由空间场强的估算：计算方法只适用于平原地区，丘陵及山区应根据地型地貌具体分析。考虑地面反射波的影响，视距内自由空间场强按如下公式计算：E=[2.18√ (PG) HtHr].J/λd2, P发射机有效功率(KW), G发射天线增益(倍)，Ht发射天线有效高度(m), Hr接收天线有效高度(m)，λ自由空间波长(m), d传输距离(km), J地面修正系数 (J=0～1) 。

理论计算3公里天线能达到的信号强度，发射台发射功率为5W, 发射天线架设有效高度为1.5米，发射机工作频率27MHz，接收天线高度为1.5米，增益为1d Bi，求距发射台3km处自由空间场强。

E=[2.18√ (PG) HtHr]J/λd2=0.6 (mv/m) ，取地面修正系数J=0.7, 则E=0.42 (mv/m) 20Lg E=20Lg0.42+60=52d Buv/m场强分量以场强值。

（四）结论

小型短波螺旋天线的有效高度是衡量天线的重要指标，由于是一圈圈绕制而成，长度为L的螺旋天线，与同样长度的对称振子天线相比辐射更强，辐射电阻更大。由于鞭状天线的高度降低会带来天线效率的降低。螺旋天线能够在保证效率的情况下降低天线的轴向高度。同时也解决了背负式电台在运动中较高的天线会产生抖动，导致电台工作不稳定的情况。螺旋天线通过寄生螺旋起引向器作用，能够提高天线的增益。

摘要：通过CST仿真软件设计出背负式电台小型短波螺旋发射天线, 计算出该天线的电参数和辐射方向图。将该设计的天线放在背负式电台上, 进行远距离通信实验, 并和加载鞭状天线进行测试对比, 螺旋天线也能满足鞭状天线所能达到的通信要求, 并得出螺旋天线的增益和仿真结果相符, 在规定功率的发射情况下, 能够达到3公里外接收有用信号的强度。

关键词：寄生受激螺旋天线,法向辐射,有效高度,仿真设计

参考文献

[1]林昌禄, 陈海.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社1990.

[2]康行健, 天线原理与设计[M].北京理工大学出版社, 1993.

[3]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.

[4]沈琪琪, 朱德生.短波通信[M].西安电子科技大学出版社, 1997.

平面近场天线测量误差研究 篇4

1 平面近场天线测量技术的优势

近场测量技术的基本原理是利用具有电特性的探头, 在离开被测体3~5 倍工作波长的距离中, 按照取样定理对被测体进行取样分析, 获得电磁场幅度和相位数据, 经过FFT (快速傅立叶变换) 数学变换后, 以得出的数据信息为依据, 从而更清晰地了解被测体的电特性。根据被测体的类型, 分为辐射近场测量、散射近场测量。一般情况下, 多采用散射近场测量, 其中, 平面近场天线测量技术的应用最为广泛。与传统的天线测量技术相比, 平面近场测量技术的优势更加明显。比如, 应用平面近场天线测量技术时, 不需要投入过多的成本, 且测量精度高、信息量大, 通过对平面近场天线测量三维方向图的分析, 可获得天线的精度、性能等相关信息数据;平面近场天线测量的操作更加简单、便捷, 尤其是在测量大天线时不会受到远场尺寸的影响, 且在室内也可采用近场检测, 从而实现全天候工作;平面近场天线测量利用计算机自动控制完成, 保密性良好。

2 平面近场天线测量误差研究

建立了天线分析模型, 待测天线模型结构为矩形阵列。该矩形阵列结构的半波阵子排列以M×N的形式排列, 应先确定阵子放置的位置、方式、阵元数和阵列单元在模型坐标中的各轴间距, 再确定每个轴方向的采样间隔。根据叠加原理, 参考天线分析模型、半波阵子的远场方向图函数和相关公式, 可获得理论远场方向图, 从而进行误差分析。

2.1 扫描面截断误差

在无穷大扫描平面上获取的采样数据可为近场测量提供参考数据, 并通过FFT由近场转换为远场, 进而测量天线。但这属于理论情况, 在实际中, 无法获得无穷大的扫描平面。而在有限的扫描平面内, 只有在扫描面以外的场为0 的情况下, 近、远场的变换过程中才不会出现误差。因此, 应确定扫描面、待测天线在方向轴的尺寸、探头与待测天线的距离。为了有效减少探头与天线间的反射现象, 探头与待测天线的距离需要大于5 倍的工作波长。此外, 近场扫描角也会影响截断误差。

参照天线模型计算, 可得到阵列天线的理论方向图, 但其与实际情况存在一定的差别。该差别在很大程度上反映了扫描面截断误差情况。根据天线的扫描角, 可计算扫描面的面积, 将得到的近场转换为远场方向图, 比较理想方向图, 得出误差。从近场测量方向图与理论远场方向图的对比中可发现, 扫描面积越大, 截断的误差就越小。

从某种意义上讲, 扩大进场扫描面是避免截断误差产生的有效途径。但扩大进场扫描面时, 采样数据就会大幅增加, 进而增加了数据实时处理的难度。此外, 扩大采样面积后, 得出的天线信号信息会受到噪声的影响, 数据的精度会下降。因此, 在平面近场天线测量的过程中, 要确保扫描面积的合理性, 使截断电平保持在-40 d B以下, 从而提升测量的精度。

2.2 扫描面位置误差

在实际中, 由于探头尺寸、机械定位精度等难以确定, 导致难以保证扫描的均匀性, 探头的移动轨迹难以满足垂直或平行的要求。因此, 得出的近场值会产生一定的偏移, 经过近、远场的转换后, 近场数据的精度会降低。参照天线模型计算理想网格上的近场, 可得出理想远场方向图。根据定位测试结果, 可计算不同方向轴上的定位精度。如果理想网格的均值为0, 则可计算不同方向轴的误差值方差。根据方差的正态分布序列, 可计算近场值, 经过近、远场转换后, 可得出远场方向图的误差值, 即扫描面的位置误差。

利用激光系统记录探头的扫描移动轨迹, 并及时解决其中存在的问题, 可有效减少测量误差, 提升平面近场天线测量的精度, 充分发挥其优势, 为天线的应用打下良好的基础。此外, 暗室环境误差、多次耦合误差、探头补偿误差等都是制约天线性能发挥的重要因素。针对这些问题, 应采取相应的解决办法, 改进平面近场天线测量技术, 使其在天线测量中发挥更加重要的作用, 形成更加完善的天线测量技术。

3 结束语

为了有效提升天线测量的精确度, 在应用近场测量技术的基础上, 应更加深入地了解和掌握天线的基本性能, 为天线的应用提供有力的保障, 提升天线测量技术的水平和标准, 以达到更好的测量效果;针对扫描面截断误差、扫描面位置误差进行分析, 寻找误差根源, 有效改进和完善近场测量技术, 从而减少平面近场天线测量误差, 提升天线的测量精度和性能。

参考文献

[1]李勇, 李焱明, 刘征.基于多通道控制器的扫频近场测量[J].电子测量与仪器学报, 2009, 23 (4) .

[2]李勇, 欧杰, 徐平.平面近场天线测量误差分析[J].电子测量与仪器学报, 2010 (11) .