一种新型双臂螺旋天线的研究与设计

随着卫星无线电导航业务的迅猛发展，越来越多的国家开始发展自己的导航通信系统。由于各种导航通信系统的卫星在空间的分布有限，因此在低信息速率、小容量的卫星导航通信系统中，要求所用终端的天线具有体积小，损耗低，极化为圆极化，俯仰面要宽和方向图为全向方位面。虽然单臂螺旋天线和四臂螺旋天线经常被采用，然而单臂螺旋天线增益比双臂螺旋天线低2 dB，四臂螺旋天线要求各线的馈电相位分别为0°，90°，180°，270°，这就势必要求比较复杂的馈电网络，而双臂螺旋天线正好弥补了它们的缺点。通过调节螺旋的物理参数，能够得到主瓣指向卫星的赋形波束，所以在卫星导航通信系统中双臂螺旋天线成了一种适宜的选择。
根据卫星导航通信系统要求，终端所用天线设计需要满足以下几点：天线覆盖范围为方位O°～360°，天顶角为20°～58°，波瓣中心增益为5．5 dBi，波瓣中心点±19°处的增益为2．5 d Bi。除此之外，发射右旋圆极化波的轴比小于3 dB，要求在不到1 %的频带内电压驻波比小于1．5。由于特殊的用途要求，终端所用天线不同于传统的法向和轴向螺旋天线。

1 天线模型的设计
采用的双臂螺旋天线，使用平行双线缠绕柱状介质棒而成，平行双线是一种开放式的传输线，其电场向外部延伸。当平行双线扭曲变形时就会引起辐射，其馈电点相位差180°。由于采用同轴线给双线馈电，匹配变得至关重要，也成为本天线设计的一个难点，在非对称的同轴线与对称螺旋线之间需要用到对称转换器(本文采用裂缝式对称转换器)，其结构示意图如图1所示。

在柱坐标中，螺旋线位于半径为r0的支撑杆表面上，螺旋线可以定义为：

它在ψ和z向具有周期性，模型如图2所示。

2 天线分析以及性能的研究
双臂螺旋天线的双臂上电流近似为：

式中,
令α为积分变量，则电场公式为：