（电磁场与微波技术专业论文）一种便携式卫星通讯圆极化天线研究.pdf

摘要 摘要 卫星移动通信系统是指为卫星移动业务提供的一个通信系统，而天线技术作 为无线通信领域的关键技术之一，对卫星通信系统的整体结构和性能起着举足轻 重的作用。 本文对圆极化天线的设计理论与实现方法进行了深入研究，在此基础上，研 究分析了三种不同形式的圆极化天线：四臂螺旋天线、微带圆极化天线、十字振 子天线。最后结合需求选取了十字引向振子天线作进一步研究。 文章重点研究了圆极化引向天线以及实现其圆极化的馈电网络，以及天线的 实测方法本文基于分支线型定向耦合器的理论提出了一个3 d b 定向耦合器的新形 式，并对天线结构和馈电网络一起进行优化设计，使天线整体不仅具有良好的阻 抗和轴比特性，而且具有较好的增益和波束宽度，实测结果表明，在带宽1 5 以内 天线性能满足了设计要求。 关键字：天线的极化圆极化天线十字引向振子定向耦合器 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 a b s t r a c ti i i a bs t r a c t s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hs e r v e ss a t e l l i t e m o b i l eo p e r a t i o n a n t e n n at e c h n o l o g y ，a so n eo ft h ek e yf a c t o r so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf i e l d ，i se s s e n t i a lt ot h ew h o l ec o n f i g u r a t i o na n dt h ef u n c t i o no fs a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ep a p e r ，t h ed e s i g nt h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h ec i r c u l a r l y p o l a r i z e da n t e n n ah a v eb e e ni n - d e p t hr e s e a r c h e d ，t h e nt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fc i r c u l a r p o l a r i z a t i o na n t e n n a s ， w h i c ha r e q u a d r i f i l a r h e l i xa n t e n n a , m i c r o s t r i pc i r c u l a r l y p o l a r i z e da n t e n n aa n dc r o s s e dd i p o l e s ，a r ea n a l y z e d t h ec r o s s e dd i p o l e si sc h o s e nt ob e f u r t h e rs t u d i e da f t e rt h a t t h ec i r c u l a r l yp o l a r i z e dy a g i - u d aa n t e n n aa n di t sf e e dn e t w o r ka r em a i n l y d i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a sw e l l 弱t h ep r a c t i c a lm e a s u r e dw a y s i nt h i sp a p e r , a n i n n o v a t i v e3 d bd i r e c t i o n a lc o u p l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r yo ft h eb r a n c h d i r e c t i o n a lc o u p l e r t h e nt h ea n t e n n ac o n f i g u r a t i o na n dt h ef e e dn e t w o r ki so p t i m i z e d 嬲 aw h o l e t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h ea n t e n n an o to n l yh a sb o t hg o o di m p e d a n c ea n d a x i a lr a t i oc h a r a c t e r i s t i c sb u ta l s oi sw i t hh i g hg a i na n dw i d eb e a m ，w h i c hs a t i s f yt h e p l a nn e e d k e yw o r d s ：a n t e n n ap o l a r i z a t i o n c i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n a c r o s s e d d i p o l e s d i r e c t i o n a lc o u p l e r i v 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 无线通信是利用电磁波在自由空间中自由传播的特性进行信息交换的一种通 信方式。自从马可尼于1 8 9 7 年7 月在伦敦建立他的第一个无线电报公司，并在 l8 9 9 年发送无线电信号跨跃英吉利海峡，人类通信事业实现了由有线通信向无线 通信的转变。在之后的1 0 0 多年里，随着科技的进步无线通信得到了飞跃发展， 在人类社会的日常生活、工业生产及军事领域中发挥着越来越重要的作用。在人 类进入2 1 世纪的今天，电信领域展现出了一幅多姿多彩的画卷，各种新业务、新 型网络构造和新型终端设备不断出现，为人与人之间以及人与机器之间的通信提 供了更有效的工具。在过去的几十年中，移动通信是电信领域中发展最为迅速和 活跃的领域之一。其中的卫星通信技术也已经广泛应用在军事领域和人们的日常 生活中。 所谓卫星移动通信系统是指提供卫星移动业务( m s s ) 的通信系统，其典型特 征是利用卫星作中继站向用户提供移动业务。所利用的卫星既可以是相对于地静 止轨道( g s o ) 的卫星，又可以是非对地静止轨道( n o n g s o ) 的卫星，如低高度地球 轨道( l e o ) 、中等高度地球轨道( m e o ) 和高椭圆轨道( h e o ) 卫星等。因此可以说卫 星移动通信是传统的固定卫星通信与移动通信交叉结合的产物。卫星移动通信系 统能扩大移动通信的地理覆盖和业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务之外， 还可以向空中、海面和复杂地理结构的地面区域的各类移动用户提供服务。从表 现形式来看，它既是一个提供移动业务的卫星通信系统，又是一个采用卫星作中 继站的移动通信系统。 如今人们在探讨未来的个人通信系统时，无一例外都想到了卫星通信系统， 这是因为个人通信的发展趋势是未来使任何人在任何时间和何地点都可以通过通 信网络及时的与任何人进行通信。显然，要达到这一目标的前提是有一个全球范 围内无缝的通信网络，这个离开了卫星显然是无法实现的。另外通信行业的巨大 经济利益也为卫星移动通信系统的发展提供了机遇。所有这些外在因素，加上卫 星通信良好的使用经历和技术基础、本身具有的独特优点，使得卫星移动通信在 过去的十几年中取得了迅速的发展，并继续呈现高速发展的姿态和良好的发展前 景。 目前卫星通信系统中的天线多采用圆极化形式，是因为圆极化天线有其他极 化形式的天线无法比拟的优势。 2一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 圆极化天线是指能辐射或接受圆极化波的天线。圆极化波是一个等幅的瞬时 旋转场，一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化 波。由此，实现圆极化波的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分 量，并使二者振幅相等，相位相差9 0 0 。 任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。一个线极化波可以分解为 两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线 收到。反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。这正是 在射频识别系统和卫星通信系统中普遍采用圆极化波的原斟1 ，2 3 】 天线若辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波：反之，天线若辐射左旋 圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的 旋向正交性。圆极化波入射到对称或大而平滑的目标( 如平面、球面等) 时，反射 波变成反旋向的，即左旋波变成右旋，右旋变成左旋。 圆极化天线不能接收由圆对称目标反射回来的自身反射信号，因为水滴近似 呈球形，对圆极化波的反射是反旋的，所以采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨 雾干扰的能力。而雷达目标( 如飞机、导弹等等) 一般是非简单对称体，它对于圆 极化波的反射波通常是椭圆极化波。这种椭圆极化波可以用两个幅度不同旋向相 反的圆极化波表示，或者用两个幅度和相位均不相同的正交线极化波表示。因此， 圆极化天线可以收到同旋向的反射圆极化波分量。 由于上述特性，圆极化天线现在在通讯、军事、遥测遥感等各个方面已经获 得了广泛的应用【4 j 。 1 2 论文主要工作及内容安排 本文首先介绍了几种实现圆极化的天线形式，阐述了这几种圆极化天线的工 作原理，同时说明了它们的一般适用环境。之后结合科研项目的具体要求，提出 了一种十字交叉振子天线的设计方案，重点介绍了天线馈电网络的设计思路。最 终制作出天线实物并进行了实物测试。 论文各章节分布及主要内容如下： 第一章绪论。介绍本课题的研究背景和意义，圆极化天线的应用，并简述论 文的主要内容。 第二章极化理论及极化参数测量。介绍了天线极化的基本理论，以及极化参 数测试相关的原理方法。 第三章圆极化天线的实现形式。介绍了三种不同形式的圆极化天线，研究了 这些天线的基本电性能以及其使用的环境。重点对十字交叉振子天线作阐述。 第四章天线馈电网络的优化设计。研究了定向耦合器馈电的基本原理，根据 第一章绪论3 科研项目的具体要求设计了一个双线3 d b 电桥，给出了各参数的仿真结果。 第五章天线测试方法及实测结果。首先介绍了本课题所设计天线的实际测试 方法，说明了天线各参数测量的具体操作方法。然后给出了实测结果并作结果分 析。 第六章总结。对全文工作加以总结，提出了天线在研制过程中有待解决的问 题以及下一步的研究方向。 1 3 本章小结 本章首先阐述了本课题的研究背景和意义，国内外研究现；然后说明了圆极 化天线适用与于卫星通信领域的独特优点；最后介绍本文的章节安排。 4 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 第二章极化理论及极化参数测量 5 第二章极化理论及极化参数测量 2 1 引言 极化和场的振幅、相位一样，也是表征电磁场基本特征的物理量。在电磁波 的传播过程中，无论场的振幅、相位或是极化都可以包含有信息量，所以可以用 来传递信息。极化的基本理论目前大多采用矢量正交分解法来分析。 天线在某方向上的极化是天线在此方向获得的最大接收功率时入射平面波的 极化，或天线在该方向所辐射的电磁波的极化。天线的极化与所论空间方向有关， 通常所说的天线极化是指最大辐射方向或最大接收方向的极化。 极化的利用早就引起了人们的重视，例如雷达利用圆极化天线来实现反云、 雨的干扰；气象雷达利用雨、雹等的散射极化响应不同来识别目标性质；飞行体 上常用圆极化天线来提高通讯的可取性；尤其是在卫星通讯中，为了增加分配的 无线电频带中信道的数目，对邻近通道，使用高纯度的正交线极化天线来达到极 化鉴别，缩短所需的频率间隔。因而天线的极化特性经常作为一些天线的设计和 检验的一个重要方面。 2 2 1 极化的形式 2 2 天线极化的基本理论 由极化的定义可知，在空间固定点处，电场强度矢量随时问变化时，其矢端 的运动轨迹，可以定义为天线的极化形式。 图2 1 极化椭圆图 、 、，l 6一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 图2 1 所示的瞬时电场的表达式为： e ( z ，) = r e e ( z ) e 】 ( 2 - 1 ) 否( z ) = ( 远。p 旃+ 魂) p 一加( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，和分别是电场的水平极化波和垂直极化波的振幅，丸和力 分别对应水平极化波和垂直极化波的相角。设水平极化波的瞬时电场为蹦r ) ，垂 直极化波的瞬时电场为联f ) ，它们均是空间坐标和时间的函数，则 e ( z ，) = 线( ，) + y e y ( t ) ( 2 3 ) 巨( f ) = c o s ( c o t 一乜+ 峻) 毛( ，) = c o s ( c o t 一乜+ 方) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 令为e y ( t ) 超前e ( r ) 的相角，即矽= 丸一九。为便于阐述，取z = 0 的平面 分析，则可将式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 简化为： 将式( 2 - 7 ) 展开 由式( 2 6 ) 得 g ( t ) = 瓦c o s c o t b ( f ) = c o s ( c o t + a # ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) b ( f ) = ( c o s t a t c o s a # 一s i n c o t s i n a 矽) ( 2 - 8 ) c o s 研：型 e 。 将式( 2 9 ) 、( 2 - l o ) 带入( 2 8 ) ，得 譬一2 筹眦蹦f ) + 字- s i n 2 a e 乙e i m e 肿、3 、1e 等式两端除以s i n 2 痧，简化为 田( f ) 一咀( f ) e ( f ) + 晖( f ) = 1 其中 1 口2 e 2 , , , s i n 2a 矽 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 第二章极化理论及极化参数测量 7 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 方程( 2 - 1 2 ) 是一般形式的椭圆方程，它表明由e x ( t ) ，e y ( t ) 组合成的电场矢量终 端画出的轨迹是一个椭圆。其合成电场矢量振幅大小随时间而改变，旋转速度也 不均匀，这就是椭圆极化波。线极化波和圆极化波都是椭圆极化波的特殊形式， 具体表征如下： 1 线极化波。当= o ，万时，由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 得 掣：掣( 2 - 1 6 ) e l 。e 。 2 圆极化波。当= 要时，且k = 时 ( f ) + e ：( f ) = 硪( 2 1 7 ) 其中 矽= 力一九= + ( 去+ 2 刀切左旋圆极化 = 方一苁= 一( 去+ 2 刀彷右旋圆极化 i e e e 关于右旋和左旋圆极化的定义为沿着电波的传播方向看去，顺时针旋转 为左旋圆极化，反时针旋转则称为右旋圆极化。 2 2 2 极化的主要参数 表征一个极化椭圆特性的基本参数有三个：倾角t 、极化图、轴比a r 。 1 倾角f 。如图2 2 所示，椭圆极化的倾角是指极化椭圆长轴o a 与x 轴之间 的夹角。它与线极化分量参数，及之间的关系可由下述推算得到。 设一组新坐标x 7 ，则任一点p ( x ，y ) 的坐标可用新坐标表示如下 +x=xcos-ysinr ( 2 - 1 8 ) y = x s i n r + 】，c o sz ( 2 - 1 9 ) 因此电场分量e x o ，姒力可以用新的电场分量表示如下 e ( r ) = 巨，( t ) c o s r g y l ( t ) s i n r ( 2 - 2 0 ) 8 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 b ( 7 ) = e ，( 7 ) s 协f + 髟，( ) c o s r ( 2 2 1 ) 图2 2 椭圆极化的倾角 将( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 带入式( 2 11 ) j | 珊，一器+ 蠢，+ 驯删毒一鞘一百s i n 面2 r ) + 2 c 蠢一丽s i n 2 r c o s , 5 # + 毒h 亿2 2 ， 如果椭圆极化波的极化椭圆，其长轴和短轴分别与新坐标x7 轴、j ，轴重合， 则置，( ，) 和乞，( ，) 乘积项系数应为零，因此有 s i n 2 r 2 c o s 2 r c o s a 矽 s i n 2 f n 一一一= = i ， 2s i n 2 矽s i i l 2 巨。2s i n 2 矽 。 ( 2 - 2 3 ) 整理可得 t a i l2 f ：2 & f g 丁j c 0 1 sa 一#(2-24) e x 0 一e 0 则倾角f 为 f ：l t a n t 三墨竺肇! 竺掣 2 2 一2 ( 2 2 5 ) 2 极化图。实际上，e 与的关系图即为波的极化图，它给出了电场矢量西在 矿方向的最大投影。任意矽方向，电场否投影在胛平面上的瞬时分量为 与( f ) = e ，( t ) c o s # + e y ( t ) s i n # ( 2 2 6 ) 把式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 带入( 2 2 6 ) 第二章极化理论及极化参数测量9 乓( ) = k c o s c 。s 研+ s m c o s ( 倒+ 力 ( 2 2 7 ) 将上式中的s i n ( t o t + 矽) 展开，并整理得 式中 乓( f ) = 毛s i n ( t o t + y ) ( 2 - 2 8 ) 2 = ( 三二c 。s + e _ s i n 矿c 。s ) 2 + ( 点_ s i n # s i n 妒) 2 ( 2 - 2 9 ) 产一 垒型墅全翌( 2 - 3 0 ) t a n y =。二一 4 e l m c o s + e 。s i n # c o s x # 将( 2 2 9 ) 展开。利用倍角公式整理后得 22 吉【k 2 + 2 + ( 2 一2 ) c 。s 2 + 2 k s l n 2 c 。s 纠 ( 2 3 1 ) 由上述推算可知，乞就是在x y 平面内旋转的线极化天线对方向的场强响 应，且极化图的最大值和最小值与极化椭圆的最大值和最小值重合。 3 轴比。椭圆极化波的轴比a r 是指极化椭圆的长轴与短轴之比，轴比与线极 化分量间的关系为 彳月：o a ( 2 3 2 ) 当极化椭圆的长轴、短轴和新坐标x 轴、y 轴重合时，e ，( f ) 和e y ，( ，) 项为 零，则式( 2 2 2 ) 所示的方程变为 珊，c 两s i n 2r 一篇+ 蠢，+ ( 2 - 3 3 ) 或 e ，2 ( f ) ( k 2s i n 2 彳一s i n2 r c o s a 簟i + 2c o s 2r ) + 髟，2 ( f ) ( k 2c o s 2f + k s i n 2 f c 0 s 矽+ s i n 2r ) = k s i n 2 妒 ( 2 3 4 ) 可推出轴比 a r = 量霉垦丛坚竺型兰幸辛 、k 2s i n 2f 一互。e 肼s i n 2 r c o s a # + e 肌2 c o s 2f ( 2 3 5 ) l o 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 2 2 3 极化的分解 椭圆微化汲口j 以分解成任蒽曲个相互正交的线极化分量。为简化分析，这里 设椭圆极化波被分解为相互正交的取水平极化波，垂直极化波e 。 设水平极化波为 e h = e + j e h t = i e 1 e 膏l = h f p 1 2 3 8 ) 其中，= h ac o s ( n p ) ，= 吼s i n ( 以) 故 易= 够c o s ( 一r ) + 矾s i l l ( 以) ( 2 - 3 9 ) 同理，垂直极化波e 可表示为 b = 既+ 忍= 圪c o s ( v p ) + j v as i l l ( )( 2 4 0 ) 又有5 1 ， = 击( + 西) ( 2 - 4 1 ) = 西i ( 露一西) ( 2 4 2 ) 所以， = 击 ( 也c o s ( 砟) + 鹏s i n ( 以) ) + ，( lc 。s ( ) + 歹圪s i n ( ) ) ( 2 4 3 ) = 击 ( 乩c 。s ( ) + 矾s i n ( 以) ) 一( 圪c 。s ( 圪) + 圪s i n ( 圪) ) ( 2 4 4 ) 即昧脚= 了1 2l 、h 爿c o s ( 以) 一圪s i i l ( ) ) + ，( 一s i l l ( q ) + 圪c o s ( ) ) ( 2 4 5 ) 卿= 击 ( 吼c o s ( 乃) + 匕s i n ( ) ) + _ ( 够s i n ( 耳) 一匕c o s ( 匕) ) ( 2 4 6 ) 则i i 、i j 分别表示了右旋圆极化电平和左旋圆极化电平。当 l 量一| i i 时，为左旋圆极化，此时左旋圆极化为主极化：当l i i t 脚i 时， 为右旋圆极化，此时右旋圆极化为主极化嘲。 第二章极化理论及极化参数测量 2 3 1 极化图法 2 3 极化参数的测量方法 极化图法是一种最简便、直接而常用的方法，该法通常用线极化辅助天线测 出轴比a r 和倾角f ，用两副反旋圆极化天线( 比如螺旋天线) 来确定旋向。 测量方法是将待测天线某一方向对淮辅助天线，辅助天线最大方向对准待测 天线，辅助天线( 或待测天线) 沿两天线连线的机械轴转动，记下与转动角度相 应的各电压值，并绘于极坐标图上，即得待测天线在某特定方向上的极化图。 线极化辅助天线绕平面旋转的轨迹一般为“哑铃”型曲线，如图2 3 ( a ) 所示， 对应的待测天线为椭圆极化天线。若待测天线为线极化天线，其极化图形为8 字 形( a r 一) ，如图2 3 ( b ) 所示( a r _ ) ；若待测天线为圆极化天线，此时无 论辅助天线转至任何位置均接收一半功率，其极化图为圆形( a r = 1 ) ，如图2 3 ( c ) 所示。 ，一、 ： 忒￥一j | | - 。父 7 ( a ) 椭圆极化 ，一、 ， 、 f 、 ， i i ， 、 ， 二一、 、一， 、 7 ， i t | 、一 l h 1 矿。j 。n ，7 ；| t ； ；| f f !l l f ； 7 j ( c ) 圆极化 图2 3 极化图 ( b ) 线极化 1 2 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 从图2 3 ( a ) 可以发现，曲线的极大值和极小值恰好与极化椭圆的长轴和短轴 相对应，所以这种方法可以确定待测天线的轴比a r 和倾角f ，但不能确定天线 的旋向。 因为左旋圆极化天线只接收极化椭圆的左旋圆极化分量，而右旋圆极化天线 只接收右旋分量，所以待测天线旋向的确定可以使用两副结构相同，而螺旋反绕 的圆极化天线作辅助天线，则待测天线的旋向与接收电平较高的螺旋天线的旋向 一致。 2 3 2 振幅一相位法 用测量波的振幅和相位来确定被测天线的极化特性时，把被测天线作发射最 方便，辅助天线可以不动，只需在方位和仰角上转动被测天线，就可以矢量网络 分析仪一次取得各方向上全部极化数据。下面介绍两种常用的振幅相位法。 1 线极化分量法。将待测天线作为发射天线，用两副线极化天线作为接收天 线，副水平极化，一副垂直极化，分别用两副接收天线接收来自待测天线的信 号。假设水平极化天线接收的信号强度为k ，垂直极化天线接收的信号强度为 e 册，则这两个信号合成的波在x y 两个方向的分量可以分别表示为： e ( f ) = k c o s c o t ( 2 4 7 ) e ，( f ) = e 瑚c o s ( 耐+ 彩 ( 2 - 4 8 ) 式中= 丸一吮，可以用测量线法或电桥法来测取。通过的值就能确定极 化的旋向，一1 8 0 。 痧 0 。时，为右旋圆极化；当0 。 矽 1 8 0 。时，为左旋圆极化。 椭圆极化的倾角为： f ：吾t a l l 1 2 e x - e ，i c o 丁sa #(2-49) 2 k 2 一e 。2 7 椭圆极化的轴比为： a r = 磐丝墨型竺垒芝二 1 j 如2s i n 2f 一互。e 朋s i n 2 rc o s a # + e 姗2 c o s 2f ( 2 - 5 0 ) 为保证测量精度，用两个分开的正交线极化天线作辅助天线时，必须使两天 线相心之间的距离和收发天线相心之间的距离之比的正切角远小于发射天线的半 功率波束宽度。因为待测天线在半功率宽度范围内的极化状态可能不一样，不同 方向上分别接收的场分量将不代表同一方向上的场分量。 2 圆极化分量法。待测天线作为发射天线，用两幅旋向相反，结构相同的圆 极化天线作为接收天线。设左旋圆极化天线接收到的相对场强为五胛p ，右旋圆极 第二章极化理论及极化参数测量1 3 化天线接收得到的相对场强为，根据轴比的定义，待测天线的轴比可用下式 计算 a r ：i e 胸c e + 1 e _ l n c e ( 2 - 5 1 ) e 盹h c p e l h c p 2 4 本章小结 本章阐述了天线极化的基本理论，给出了各种极化形式、极化参数及极化分 解的推导公式。同时结合对天线极化参数测试的需要，介绍了几种不同的极化参 数测量方法及理论依据。如利用极化图法或振幅一相位法测试圆极化天线各极化 参数的理论依据。本章的内容不仅是极化理论知识的基础，也可以作为极化参数 测试时的理论依据。 1 4 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 第三章圆极化天线的实现形式 1 5 第三章圆极化天线的实现形式 3 1 四臂螺旋天线 3 1 1 四臂螺旋天线的物理结构 谐振式四臂螺旋天线是k i l g u s c c 在1 9 6 8 年首次提出的【7 1 ，他连续发表了两 篇论文，用偶极子理论对四臂螺旋天线进行了分析。天线的结构如图3 1 所示。 图3 1 四臂螺旋天线结构图 天线包含四根螺旋臂以及金属支撑杆，每根螺旋臂长度为四分之一工作波长 的整数倍。当倍数关系为偶数时，螺旋臂终端短路；当倍数关系为奇数时，螺旋 臂终端为开路。四根螺旋臂馈电端电流幅值相等，相位相差9 0 。( 为别为o o 、9 0 0 、 1 8 0 0 、2 7 0 0 ) 。通过这样的馈电方式可以实现圆极化。如图3 2 和图3 3 所示。 天线的结构参数可由下式确定： k = n( 3 1 ) 其中l 繇为螺旋的轴向长度，l c l 。为螺旋臂的长度，r o 为螺旋的半径，n 为螺 旋的圈数。当倍数为奇数时，a = i ；当倍数为偶数时，a - - 2 。 1 6 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 图3 2 顶端开路结构 3 1 2 四臂螺旋天线的工作原理 图3 3 顶端短路结构 分析四臂螺旋天线的工作原理及辐射远场有很多种方法。a s h a r a i h a 提出了 基于m e i 积分公式的方法来计算天线的阻抗及辐射远场【s j 。c h e nc h e n 应用矩量法 研究了天线的辐射方向图及电流分布等 9 1 。c h e n g w d 讨论了四臂螺旋天线的谐振 模式及行波模式i l0 。 k i l g u s c c 提出了一种等效方法来研究四臂螺旋天线的工作原理【7 l 。四臂螺旋 天线可以看作是两股相互垂直于轴线的双臂螺旋线组成，其馈电相位相差9 0 0 。由 于在谐振状态下，螺旋线上的电流分布近似为正弦分布，电流零点位于螺旋线中 间。所以，其中一条双臂螺旋线可以看作是一根线偶极子及一根半环偶极子组成， 其结构如图3 4 所示。 图3 4 等效图1 如图3 4 所示，箭头表示电流流向，而中间虚线表示的电流i d 是圆环电流矢量 第三章圆极化天线的实现形式 1 7 之和。当模型进一步简化为图3 5 时，螺旋线上的电流分布接近于方形的环偶极子。 小环偶极子的辐射场表达式为： 易：_ ，6 0 7 r i d s i n 0 一lf 弦 五 e ，= j 1 2 0 x 2 i ls i n 0 厂 ( 3 - 2 ) 争步 仔3 ， 式( 3 1 ) 、( 3 - 2 ) 可以简化为： 易= 歹等( 删p 一步 ( 3 q e + - jk 2 ( s i n o ) e - j 知 厂 ( 3 5 ) 其中，i d 为偶极子电流，i l 为环偶极子电流，k = 2 州五，a 为环面积，l 为偶极 子长度，a 为工作波长，k 1 、k 2 为常数。 图3 5 等效图2 最终四臂螺旋天线可以等效为两个相互垂直馈电电相位相差9 0 。的环偶极子 的组合，其等效结构如图3 6 所示。 根据环形偶极子理论，两条双臂螺旋线的辐射场表达式分别为： 2 = 4 e - j 打( 一c 0 s 矽+ s i i l c o s d( 3 5 ) 易l ，2 = 4 矿归( s i n 痧c o s o + j e o s o ) ( 3 7 ) 取4 = 4 一知叫2 ( s i n # + j c o s # m s # ) ( 3 - 8 ) 4 = 4 一肛砟矽c o s 秒一s i i l 勿 ( 3 9 ) 1 8 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 图3 6 等效图3 当4 = 4 时，四臂螺旋的总辐射场可表示为： 易= 岛l ，2 + 易3 ，4 = a e 一归( 1 + c o s o ) e 一 ( 3 1 0 ) 弓= 易，2 + 4 = a e - j 加( 1 + c o s 6 ) e - j 蚓2 ( 3 11 ) 当易与乞幅度相等，相位相差9 0 。时四臂螺旋天线就可以实现圆极化特性。 辐射方向图的最大方向为轴向，并且与矽无关，天线在空间内的辐射方向图呈心 形，且完全对称。 图3 7 是图3 1 所示的四壁螺旋天线简化后的等效图，根据其所示的天线尺寸 参数，可以将四臂螺旋天线径向部分产生的场和螺旋部分产生的场叠加，利用通 用的近似方法可以得出以下结论：螺旋臂上的电流呈正弦分布，其最大值在馈电 端和终端。 图3 7 四壁螺旋天线结构 第三章圆极化天线的实现形式 1 9 则单元1 总场的分量是： g 矿l - 警e 佗 p 由图3 7 得 d l ：迎 c o s8 代入式( 3 11 ) ，可得 = 絮等0 讹冽d 口 对于螺旋天线的每个单元，电流的幅度为 ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 3 ) 易( 口) = 厶c 。s l 的宽边平行双线，其等效电流不变而等效电压为原来的2 倍。因 此其特性阻抗可以用相同宽度、一半厚度的微带线特征阻抗推算，线宽w 、介质 厚度2 乃的平行双线特征阻抗z 0 与上述微带线特征阻抗z 二关系为：乙= 2 z 二。 线宽度为w 、厚度为h 的微带线的特性阻抗为： 乙：型鱼一( 4 - 3 4 ) 2 互w + 1 3 9 3 + 0 6 6 u 7lnw一+1444 h h 这种计算方法只作为参考，准确结果必须借助于数值方法或实验测定。利用 有限元方法进行精确计算的= 2 6 5 ，h = 0 5 m m 的特性阻抗为5 0 q 的双线对应线 宽为1 6 7 m m 。 4 4 2 仿真计算结果 调节主线和支线的线宽可以控制两个输出端口的功分比，主线和支线的线长 决定网络工作频段。在输入端1 3 处采用渐变线设计，一方面可以起到双线向微带 线结构过渡，另一方面可以为实际焊接留出空间。在此基础上对耦合器尺寸调节 计算，得到如图4 1 5 网络参数的计算结果。 4 4 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 f 1 开日咀妇呻e ( a ) 驻波曲线 f 1 斤帕 f ( b ) 端口传输系数 ( c ) 2 、3 端口相位差( d ) 2 、3 端口隔离度 图4 1 5 馈电网络参数仿真结果 由图4 1 5 的计算结果可知，2 、3 端口功分比相差在0 3 d b 左右，相位差在 9 0 0 左右；2 、3 端口的隔离度在所需频带内大于1 8 d b 。基本满足网络的设计要求。 此网络为对称网络，四个端口的驻波比计算结果应该相等，但渐变线的引入使网 络非对称，所以会出现图4 1 5 ( a ) 中四个端口驻波比计算不一致的结果。图4 1 6 为 网络损耗，计算方法由式( 4 3 4 ) 给出： l o s s = 一l g ( i s , 。1 2 + i s 2 。1 2 + i 墨。1 2 ) ( 4 3 5 ) 网络损耗计算结果如图4 1 6 为。此馈电网络在所需频段内的网络损耗最大不 超过0 4 3 d b 。 一mp】co!苗i一 第四章天线馈电网络的优化设计 4 5 f 1 f r e q u e n c e 图4 1 6 网络损耗 4 5 本章小结 本章首先阐述了定向耦合器的基本概念，按照耦合方式的不同对定向耦合器 作了分类，分别介绍了这几种定向耦合器的结构特点，并指出了设计定向耦合器 时需要参考的几个重要的技术指标。然后选择分支线型定向耦合器作进一步学习。 第一步研究了分支线型定向耦合器的工作原理；第二步利用奇偶模法分析分支线 型定向耦合器，给出了设计此类型定向耦合器的理论公式依据。第三步，结合实 际情况，设计了一种改进型的双线3 d b 定向耦合器，经过仿真计算，该电桥在所 需频带内各参数仿真结果均满足指标要求，为下一步网络与天线辐射体的结合奠 定了基础。 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 第五章圆极化天线测试方法及实测结果 4 7 第五章圆极化天线测试方法及实测结果 5 1 测试内容与方法 5 1 1 增益与轴比测量 1 按图5 1 j 所示在测试场地架设天线，指示天线( 发射天线) 与待测天线 间距满足远场条件；指示天线为垂直极化的对数周期天线。 待 图5 1 测试场地不意图 2 指示天线连接信号发生器，待测天线连接频谱分析仪。 3 以待测天线和指示天线连线为轴旋转待测天线3 6 0 。，记录最大电平 p m a x ( d b ) 和最小电平p m i n ( d b ) 。 待测天线轴比( a r ) 计算： a r ( a 8 ) = ( a s ) 一p m i 。( a b ) ( 5 1 ) 4 把待测天线换成标准增益天线( 带反射板半波对称振子) ，最大方向对准 指示天线，记录接收电平p s ( d b ) ，则待测天线圆极化增益g x 可由下 式得到： 啦印。一芷喾 + 3 一只( 矗b ) + g ( d 8 ) ( 5 2 ) 式中：q ( 魍。) 待测天线右旋圆极化增益值； g ( 扣) 。标准天线增益值。 4 8 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 5 1 23 d b 波束宽度测量 1 在图5 1 中，把指示天线换成和待测天线极化相同的右旋圆极化天线； 调整待测天线和指示天线最大方向使其共轴并相向。 2 读出最大接收电平，在方位面转动待测天线，记录最大电平下降3 d b 时 待测天线最大方向两侧对应的方位角，取其和可得到圆极化3 d b 波束宽 度。 5 1 3 前后比测量 1 待测天线正向与指示天线对准，记录待测天线在所需频点的电平值。 2 将待测天线在方位面旋转18 0 。，使其背向对准指示天线，记录待测天线 在所需频点的电平值。取其差即为待测天线的前后比。 5 1 4 驻波测量 用矢量网络分析仪测试被测天线驻波比，测试方法如图5 2 所示： 1 2 3 打印机网络分析仪 被测天线 图5 2 电压驻波测试示意图 按图5 2 所示架设好被测天线，连接好仪器； 调整网络分析仪状态参数，并进行定标( 校准) ； 连接好被测天线，可得到设定带宽内天线的驻波比曲线，打印。 5 2 天线实测数据及分析 5 2 1 天线实测结果 天线在工作频段f i g ( 带宽1 5 ，属u h f 频段) 内的实测结果 1 驻波曲线 第五章圆极化天线测试方法及实测结果 4 9 ： ， 厂 厂 。“7 。 ， 。，一。 一、 一 0 ：订一 o 一 2 天线各指标实测结果 图5 3 天线实测驻波比 c 1 一a p - r 舢1 3 0 2 3 备l t 4 7 5 标准天线待测天线 频率 ( m h z ) 电平增益电平电平 后向电平( d b ) 前向电平 ( d b )( d b )( d b )( d b )( d b ) f l 5 3 17 3 55 4 35 7 16 9 0 5 2 0 岛 5 4 27 5 25 6 45 7 67 8 1 5 2 2 最 5 5 37 2 55 8 25 9 87 9 8 5 6 4 表5 1 天线实测数据记录 根据表5 1 中的测试数据，整理后可以得出本次设计的天线的主极化增益， 轴比，3 d b 波束宽度及前后比，如表5 2 所示。 待测天线 频率( m h z ) 主极化增益( d b ) 轴l 匕( d b ) 刚庙l l , ) d b )3 d b 波束宽度 f 1 7 8 62 81 78 5 0 岛 7 7 41 22 5 98 3 0 龟 6 5 91 62 3 49 0 0 表5 2 天线各指标实测结果 5 0 一种便携式卫星通讯圆极化天线研究 3 天线在所需频点的主极化方向图 o r h c p ，禚裁 “骡裂 ，仪 二2 d 、o 1 f 1 ( a ) c m o 5 2 2 数据分析 - 一r h c p o 德蕊一 蠖粼。 二套夕 l p 71 5 0 o-rhcp 。德蒸 v 2 蠖黟y 、5 0 8 0 f o ( c ) 图5 4 天线方向图 1 8 0 f 2 ( b ) 从实际测试结果可以看出，利用双线3 d b 定向耦合器作天线的馈电网络，天 线在工作频带内具有良好的阻抗特性，在f 1 的频带内驻波均小于1 5 ，如图5 3 所示；同时，如表5 2 所示，天线在工作频带的轴比也均小于3 d b ，前后比大于 1 7 d b ，3 d b 波束宽度都在8 0 0 以上；由表5 2 亦可知，天线在所需频点的增益都大 于6 5 d b 。各项指标均满足设计要求。 竹。加锄舶舢韵伽肿。竹 第五章圆极化天线测试方法及实测结果 5 1 5 3 本章小结 本章主要介绍了根据本次项目要求设计的圆极化十字交叉振子天线的实际测 试方法，分别说明了天线增益测量、轴比测量、前后比测量、波束宽度测量及驻 波测量的具体操作方法。然后给出了天线的实测结果，从实测结果可知天线的各 项指标都达到了项目要求。今后需要研究和解决的问题主要有以下三点： 1 由于辐射体的形式为窄带叶片状，其阻抗虚部在整个频带内较为陡峭， 制约了天线的带宽，并且与网络结合后天线能量损耗较大，抑制了天线 的增益。后期的工作重心： a )在不改变天线辐射体形式的前提下如何改善天线辐射体的自阻抗。 b )馈电网络与辐射体的匹配。 2 仿真轴比与实测轴比有差异。仿真轴比在整个频带内均小于1 2 d b ，然 而实测出的轴比在低频的边频处在3 d b 附近起伏，但整个频段内轴比曲 线的走势与仿真结果较为相似。原因分析：在网络实际加工时为满足安 装环境，网络结构作一定调整影响了输出端的相位差，使天线轴比恶化。 后期设计网络时应更注意结合实际情况，保证网络仿真设计与实际加工 的一致性。 3 天线在实测过程中的一致性不好。在保证测试环境不变的情况下，单日 测试的数据均有较好的一致性；但隔天测试的数据间重复性不好，影响 了测试数据的可信度。 第六章总结 5 3 第六章总结 随着空间技术和通信领域的发展，圆极化天线以其强大的优势，在无线领域 中发挥着重要作用。线极化波容易在传输环境中发生极化偏转造成衰减，圆极化 波遇到障碍物会反向。直射波和反射波会有极化隔离。具有很强的抗干扰能力和 防雨雾能力。在民用和军用领域被广泛使用。现代无线通信事业的发展，卫星导 航定位系统在人类社会的生活中起着的作用已经越来越重要。他们天线的极化方 式都是圆极化，因此研究圆极化天线便有很重要的作用。本文的主要工作是总结 归纳用于无线通信领域中三种主要的圆极化天线的实现形式。然后根据实际的应 用，设计了一种圆极化十字交叉振子天线，并分别对天线的辐射体部分和馈电网 络部分作进一步研究分析。最后给出了圆极化十字交叉振子天线的实际测试方法 以及测试结果。 本文首先说明了天线极化的基本概念，给出了极化参数的测量方法。然后介 绍三种常见的圆极化天线形式：四臂螺旋天线、圆极化微带天线、十字交叉振子 天线。文章分别研究了三种天线圆极化的实现方式和基本辐射原理，并说明四臂 螺旋天线和圆极化微带天线两种天线带宽的展宽方法。之后，设计了一种基于十 字交叉振子形式的圆极化天线，利用仿真软件优化了天线尺寸，从仿真结果可以 得知理想馈电的天线有良好的增益特性和阻抗特性。为后面天线馈电网络部分的 匹配打下了基础。 本文在设计天线馈电网络时综合考虑了实际尺寸和性能的要求，最终选择以 3 d b 定向耦合器为原型，经过改进的双线3 d b 电桥作为天线的馈电网络。设计之 初，广泛调研了国内外有关定向耦合器的文献，充分了解定向耦合器的工作原理 和设计方法，重点分析了分支线定向耦合器的设计方法。为了对天线平衡馈电， 最终选取双线形式的3 d b 定向耦合器。通过对网络的精确仿真，得到此馈电网络 的驻波比小于1 5 ：两个输出端