4.2 双螺旋天线在线视频

下面介绍一下双螺旋天线的设计

上面这张图

就是典型的双螺旋天线

其中包含了两根螺旋线

天线是从底部进行馈电

通过黄色的同轴线把能量

传递上来之后

做了一分二的设计

螺旋天线缠绕下来之后

跟底下的接地板进行短接

PPT给出的就是天线实物

可以看到整个天线都是全金属的

在双螺旋天线的设计中 难点主要有两个

第一个就是对天线极化的判断

另外一个就是馈电巴伦的设计

怎么判断这个螺旋天线的极化呢

大家观察这个螺旋天线螺旋缠绕的方向

是符合左手还是右手

是右手吧

很多人可能会把这个螺旋天线的

发射的极化

判断成右旋圆极化

但实际上这个天线的极化

恰恰不是右旋圆极

而是左旋圆极化

这是因为什么呢

尽管馈电点在接地板附近

但实际上

螺旋线真正的馈电位置是在上面

靠近顶点的位置

而电流是从顶点往下流的

之后电磁波打到反射板上

然后被反射板反射

这时候

当右旋圆极化电磁波

垂直入射到反射面之后

根据边界条件

它反射的电磁波是

左旋圆极化的

会反向

因此根据天线的馈电方式

我们可以知道这是一个左旋圆极化

所以判断螺旋天线的极化

不能简单的依靠

螺旋线的缠绕方向

一般来说

我们认为至少需要3点

第一是馈电的位置

馈电是在上面还是在下面

另外是螺旋线的缠绕方向

它本身当然是右旋的电磁波

往下打到下面之后

有反射板的话

进行反射

所以辐射的是左旋圆极化电磁波

因此可以将这三点总结为

判断螺旋天线极化的主要依据

另外就是这个双螺旋天线的巴伦设计

那么接下来

我们就说说这个顶点馈电到底

是个什么结构

通过这张图

大概可以看出来

巴伦结构是在同轴线的前后

各开一个长缝

缝长大概是1/4波长

同轴线的内芯出来到顶端之后

跟其中未开缝的一侧进行短接

并延长出来一根金属丝

然后

同轴线的外壁

也跟另一根金属丝进行短接

这两个金属丝分别

给两个螺旋进行馈电

利用上一章对电流的分析方法

分析一下巴伦的特点

我们可以看到

先看这个红色的箭头

同轴线内芯的电流情况

假设这时候1/4波长这段线

上面的电流的相位是1时态

接着它有一部分的能量

进入金属臂

金属臂的话

1时态跟2时态是同一个时态

同一个半周期

所以它们是同方向下来的

当然还有一部分能量

会从这个点进入金属杆

而进入同轴线的外壁上

2方向下来

到这个点处的时候

其实能量也会分成两个部分

一部分是继续沿着

同轴线向下传播

就是3时态

但是3时态和2时态是

两个半周期

所以他们方向相反

还有一部分能量会传到

开缝的另外一侧来

因为这都是短接的

每一个长度都是1/4波长

2到3正好几何上转了180度

接着

还有一部分能量会继续往上传

传到这个金属臂上

3 4是同一个半周期

所以它是同方向的

这时候我们再来看

这个同轴线外导体内壁上

它正好跟1是相反的

相差180度相位

它能量到这个节点处也就分成了两份

一份上了金属臂

2 1同一个半周期

所以是同一个方向上来

还有一部分能量沿着的外壁进行下流

就是这个2时态

当流到这个节点之后

它能量还要分成两部分

一部分沿着金属外壁进行流动

就是3时态

继续向下流

还有一部分

这是短接的过来的

继续往上

向上的这一个部分

它是3时态的

因为2 3不是同一个半周期

所以方向相反

接着还有一部分能量

顺势流到这个金属臂上

3和4同一个半周期

同一个方向

这时候

都分析完之后

我们看到三部分的

这个能量的情况

首先是这个金属臂上

看到这个蓝色的和红色的箭头

内导体外导体的这个能量

他们是相互叠加的

而且它上面这个矢量方向是相同的

传到两个金属臂上的时候

正好也是让他们相位差

差了180度

因为这两个螺旋

在摆放的时候

几何上也差了180度

这样就实现了天线的馈电

另外 我们看看巴伦部分

这一部分的两侧

2和3的电流都属于抵消状态

可以认为巴伦对辐射是没有影响的

继续往同轴线的延展方向看的时候

可以发现外导体和内导体

它们也是两两相消的

所以说同轴线的延展段

对方向图也没有影响

因为上面没有能量

这就是利用巴伦实现

从不平衡到平衡的一个转换

因为同轴线是不平衡的

到上面两个臂是平衡的

这与第一章很类似

这个巴伦

可以用在第一章的振子天线的设计上

但是这种巴伦通常是窄带的

开缝一般也比较小

所以说在振子天线用的时候要慎重

因为他的工作带宽

可能不符合工作频率的要求

我们下面设计一个双螺旋天线

这个是双螺旋天线给出的指标

可以看到工作在4GHz附近

绝对带宽是100兆

需要注意的是

增益要求大于4dB

而且

要求正负40度内全部大于4dB

并不是只是天顶大于4dB

而且轴比要小于5dB

也是在正负40度范围内

最后还要求了

接头的类型SMA的接头阴头

然后极化要求右旋圆极化

驻波比小于1.5

如图这是HFSS的模型

同轴的馈电线

从反射板延伸上来之后

再经过双缝

然后延展出两个臂来

之后进行了缠绕

这时候我们可以看到 我们需要的极化

跟缠绕的螺旋方向

正好相反

螺旋圈数现在绕的是三圈

而且

绕柱的直径是10毫米

接地板的半径40毫米

螺距是23毫米

切口宽度

也就是双缝的宽度是1毫米

根据工作频率来算的话

这个缝正好就是17.5毫米

同轴的介质设定为空气

因为考虑到焊接等因素

相当于用金属进行了支撑

不用像一般的同轴线里面还有介质

这是第一轮仿真出来的方向图

三个频点

高 低

加上中心频率的三个频点的方向图

这个方向图从天顶看

是7dB

然后到正负40度的时候

是4.3dB和4.5dB

也就是说

从工程的角度看

还是可以的

稍微有一点点的余量

正常余量通常留0.3-0.5dB

因为仿真是比较理想的

如果不留余量的话

有可能实际做出来的增益就不够了

既然是圆极化

当然要关注轴比

这里给的是三个频点的轴比

m1标注的是天顶的位置是3.2dB

m2标注的是正负40度的时候

可以看到轴比稍微差了一些

分别是5dB和5.2dB

这是整个的驻波比

可以看出跟要求的是临界的

要求是小于1.5dB

这比1.5dB稍微超出了一点点

把所有的指标都列在一起

这时候可以看到

增益基本达标了

另外驻波肯定是超了

都不满足1.5

轴比的话可以看到

个别的角度 方位超过了5dB

轴比偏大

需要进一步的优化

另外 如果要可能的话

还是希望进一步增大

覆盖角度内的增益

能不能把天顶的增益压低

然后把两边的增益提高

让方向图鼓起来

这是我们后边优化的重点

下面我们优化了绕柱的直径

从10毫米变成11毫米

这里给出了方向图

然后是驻波比的图

可以看到驻波比增加到1.8左右

总体上可以看到天顶的增益

实际上是被拉低了一些

然后边缘的增益

普遍还都是大了一点点

另外驻波比变差了

好消息是

轴比整体都变好了

只有一个稍微差一点的点到了4dB

这时候主要的矛盾变成了驻波比

那驻波未达到要求

有什么好办法呢

可不可以单独来调试它

就是不要再调

螺旋等对辐射有关的参数指标

实际上

办法是有的

事实上对于同轴的馈电线

如果你在合适的位置上

加一个1/4波长的串联的介质套

就可以把驻波有效的匹配

实际做的时候

大概也是这样子

把一个聚四氟乙烯的卡套

套在同轴线里面

调试到一个合适的位置

把它固化一下就可以了

因为目前驻波实际上离

参数指标差的并不多

只有1.8

略微的调整一下

匹配一下

就可以得到比较好的结果

这是最终得到的方向图

这是立体的

看上去立体的方向图比较胖

这节就讲到这里

谢谢大家