4.3 四臂螺旋天线及阵列的设计在线视频

下面开始四臂螺旋天线的讲解

首先

看四臂螺旋天线这个结构图

可以清晰的看到四个螺旋

这个天线的馈电是由

黄色的同轴线从底部馈到天顶的

顶部有类似双螺旋天线的开槽结构

它是在四个螺旋天线的四个

螺旋上分别馈电

依次馈电差是90度

然后在空中进行辐射

这是在HFSS里的建模图

四臂螺旋天线它主要的特点

相对于双螺旋天线来说呢

它的波束更加宽

更加符合地球匹配波束的特点

从这个二维的方向图上来看呢

会比较清楚

首先

它是一个全向天线

最大增益点是出现在60度附近

有一些还可以往低仰角设计

可以设计到70度左右

80度左右

天顶略微凹陷

所以它是一个地球匹配波束

用在低轨

中低轨的卫星上很合适

而且它是一个圆极化天线

通过调整螺旋的几何尺寸

螺距

直径

螺旋圈数

就可以获得一个

相对更加平坦的方向图

可以看到这个方向图比上一个方向图要

更平坦一些

天顶稍微高一点

但也有一些下陷

还有一些更复杂的螺旋天线

这个展示的是一个

典型的星载遥测遥控天线

它是一个复合螺旋天线

首先它有4个螺旋

上面有一个单锥的螺旋

它们配合在一起

这是天线里面的主要电结构图

右面就是这个天线的实物图

这是天线的内部结构

里面是一个用来支撑

单锥天线的聚酰亚胺锥台

这是仿真结果

观察它的方向图

实际上加了一个单锥之后

从这个方向图上看

可以看到这个天线的正负60度

以至于在正负70度附近

增益都是很平坦的

而四臂螺旋天线在没有单锥的时候

方向图在天顶方向是下凹的

这也就是说单锥天线起到了一个

弥补四臂螺旋天线天顶下凹的特点

可以看到整体的轴比的特性

其实是跟四臂螺旋天线很接近的

下面介绍了一个

背馈四臂螺旋天线

它主要的特点是用印刷的形式来做的

大家如果比较熟悉的话

可以看到印制电路板

电路板是罗杰斯5880的材质

它特点是中间用泡沫来支撑

这个天线后面会详细的解释

它的电路板绕一圈

正好就是螺旋的四臂

底下是一个90度相位差的馈电网络

这个天线的特点是

第一 成本相对来说比较低

第二 就是它带宽比较宽

当然它使用的这种材料

并不能满足星载使用的环境

如果是地面上来用的话

它就比较合适

成本低

带宽宽

它能把目前的格洛纳斯

GPS

北斗

伽利略

基本上都覆盖了

低仰角的特性也很好

这是它的测试结果

看看这个仿测的结果

一致性还是比较好的

这是测试的驻波比

仿测的驻波比和轴比的特性

总之

可以看出应该是一个

比较好用的天线

螺旋天线的种类其实很多

除了刚才介绍的几种体螺旋

其实还有平面螺旋天线

这是我们做的一个

用于比相测角的一个阵列的天线单元

这个天线的特点就是

它是超宽带天线

它的工作频率接近20倍频的工作带宽

这里面实际上是22倍频

在设计的时候发现实际上

工作的带宽还是不够

驻波很差

那怎么办

在这个外侧

加一些吸收的电阻

这时候发现带宽更宽了一些

实际上它这时候还是到不了

低频段的要求

后来我们实际做的时候

是把螺旋缠绕到侧壁上

最终实现了

接近22倍频的工作带宽

这是一个圆极化的

很胖的一个方向图的一个天线

但是它并没有用过于复杂的螺旋

大家可以看到它支撑

实际上是一个PMI的泡沫

然后同轴线从中心处直接馈上来

内芯直接跟上面的这个PCB短接

只缠绕了一圈多一点

四周用了倾斜45度的六根铜柱进行

空间加载

实际上它的效果还是不错的

这是利用我们之前做的

印刷四臂螺旋天线

设计了一个五乘五的阵列

进行空间扫描

我们可以发现

当这个天线扫描到60度的时候

它的方向图还是没有开裂

这是一个单螺旋天线阵

每一个阵都是一个1×8的阵列

由8个单螺旋天线来构成

这个天线

当时提出的要求是

完成一个扇形波束

圆极化

另外能抗风8级

所以说 大家可以看到

反射面打了很多防风孔

这实际上对电性能没有特别的帮助

也不是为了减重

只是为了降低风阻

天线当然也没有采取大风阻的设计

它都是用铜管来设计的

八个相位比较稳定的天线

来组成阵列

底下是用一个一分八的一个功分器

完成馈电网络

这是我们在暗室里测试的样子

可以看到天线还是很大的

整体的高度超过1米

下面介绍一下

单螺旋天线的匹配技术

可以看到这个天线

它是同轴线出来直接在

聚四氟乙烯棒上进行缠绕

通过仿真可以清楚地看到

这时候匹配的驻波还不是特别好

那我在这里加上一个结构

也就是一个铜柱

实际上这个铜柱很好固定

背面打一个螺钉上来

一连就可以固定在上面

这铜柱放在螺旋的底部

当调节这个铜柱的高度

和铜柱离单螺旋天线的距离的时候

实际上是并联了一个匹配段

这时候我们可以通过调节这个耦合

可以把天线的驻波调节下来

而且这个安装的位置

精度是很高的

那我们现在

在八个天线成形成阵列的时候

都采用这种方式来进行匹配

制备之后八个天线基本都是一致的

我们大部分的螺旋天线

实际上都是用铜丝来制备

大家都知道

铜实际上

相对来说是一种比较软的金属

那能够通过什么工艺

能够让它变得比较有弹性呢

工程上通常要通过退火

和蘸火的工艺来做

退火是一种金属热处理工艺

它指的是将金属

缓慢加热到一定温度

保持足够长的时间

然后以适宜的速度进行冷却

目的是降低硬度

改善切削的加工性

降低残余应力

稳定尺寸

减少变形与裂纹的倾向

细化晶粒

调整组织

消除组织缺陷

准确的说退火是一种对材料

退火是一种对材料的热处理的工艺

包括金属材料

非金属材料

尤其是我们刚才说的星载天线

它用的是一种磷青铜材料

它本身是很硬的铜丝

很难缠绕

这时候我们要先做退火工艺

把它变成软

应力也全部去掉

这部分工作完成之后

就可以利用螺旋的模具进行缠绕

可以看到螺旋的模具是圆柱形的

上面开有槽

这时候把退火之后的铜线或者

金属丝缠绕到这个槽里

实际上这时候螺旋线是很软的

如果要实际工程使用的时候

要将它变硬

下一步我们就要做蘸火的工艺

蘸火是淬火的俗称

指把金属工件加热到一定温度

然后浸入冷却剂

油或者水中急速冷却

目的是增加金属的硬度

这样我们就可以获得

有一个硬度的磷青铜螺旋的结构

这节就先讲到这里