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在宽角范围内具有圆偏振辐射的低剖面半球形螺旋天线
H. T. Hui，KY Chan和EKN Yung
摘要 - 对低剖面半球螺旋天线进行了实验和理论研究。 该天线可以在90°的宽角范围内产生圆极化辐射。 对电流分布，输入阻抗，轴比，功率增益和辐射模式进行了严格的研究。 发现5圈半球形螺旋天线的3dB轴比带宽为14.6。 在1 0lt;lt;1 3的范围内，获得了大于9dB的相对稳定的功率增益。辐射图通常由几乎没有旁瓣的大光滑主瓣组成。 这些新的天线特性在移动卫星通信中有潜在的应用。
索引术语 - 圆极化辐射，半球形螺旋天线，卫星通信。
介绍
圆极化辐射天线由于对电离层偏振旋转不敏感而在移动卫星通信和直接卫星广播系统中得到广泛的应用。 传统的长圆柱形螺旋天线可以产生圆极化辐射，但只能在轴向上的一个小角度范围内[1]，[2]。 在[3]中，Nakano et al。 引入了一种小而且非常低轮廓的圆柱形螺旋天线，它可以在更宽的角度范围内产生非常纯粹的圆极化辐射。 四线螺旋天线[4]可以在整个上半部分空间产生圆极化辐射，但是它表现出窄带宽并且需要复杂的馈电方法。 一个球形螺旋天线[5]可以在广角区域产生圆极化辐射，但很难在地平面上保持稳定的垂直位置。 在本文中，我们报告了Hui等人提出的半球形螺旋天线的深入研究。 [6]。 与球形螺旋天线不同，半球形螺旋天线不仅尺寸更小，而且还提供更坚固和低矮的结构。 它可以在较宽的角度范围内以较高的增益产生圆极化辐射。 对电流分布，输入阻抗，轴比，功率增益和辐射方向图进行了严格的研究。 无论螺旋线的匝数如何，半球形螺旋天线的天线尺寸都是固定的。 这导致一些天线特性，例如功率增益和辐射方向图随着螺旋圈数的变化而保持相对不变，而轴比和电流分布等其他特性容易因螺旋圈数而改变。 下面将呈现理论和实验结果。
图1.外围馈电半球形螺旋天线的天线几何形状。
几何描述
同轴馈电的半球形螺旋天线的几何形状如图1所示，相邻两匝之间的间距相等。细螺旋形导线缠绕在半球形表面上。 沿着螺旋线的轴的坐标在球坐标中满足以下等式：
(1)
其中a是半球的半径，N是螺旋的圈数。 （1）中的“ ”或“ - ”符号表示方程为右旋（“ ”）或左旋（“ - ”）螺旋。 本研究仅研究具有整数匝数的半球形螺旋。 在地平面上将螺旋连接到同轴线的短直线的长度用h表示。 整个天线由均匀半径为rW的单根细线制成。 同轴孔具有内半径rW和外半径b。 在实验测量中，半球形螺旋线通过在聚苯乙烯半球的表面上使用铜线缠绕，这使得天线能够稳定地搁置在地平面上。 接地平面是方形铜板，边长为20厘米，等于2.94 GHz频率下的1.96个波长。 天线的理论分析采用矩量法[7]进行。
理论和测量结果
轴比和功率增益
图2显示了在标准圆，（其中C是半球形螺旋周长，lambda;是波长）处的仰角为的三匝半球形螺旋天线的测量轴比和。可以看出，具有圆偏振辐射的角度覆盖（轴比lt;3dB）约为。 图3显示了轴比和功率增益的变化曲线，其中匝数为N，如图3所示。发现螺旋线匝数的增加可以减小轴比。 表1列出了3 dB轴比带宽（轴比lt;3 dB）。3 dB轴比带宽随匝数增加。 五圈天线的带宽几乎是三圈天线的两倍。 图3所示的功率增益是相对于各向同性圆极化源来定义的。 我们看到，功率增益保持相对稳定的匝数，而，。 这个范围内的功率增益从9.1-9.8dB变化。 这种特性与行为有很大不同
图2.测量三角半球螺旋天线的仰角与仰角之比
表一
不同螺旋圈数的半球形螺旋天线的3dB轴比带宽。天线的尺寸半球形螺旋天线的3-dB轴比带宽螺旋的匝数不同。天线的尺寸为。
图3半球形螺旋天线的轴比和功率增益的变化，并且
圆柱形螺旋天线的功率增益随着匝数和频率的增加而显着增加[1]。
图4 五匝半球螺旋天线的交叉极化和共极化与两平面低剖面圆柱螺旋天线在不同平面上的变化半球形螺旋天线的尺寸为，圆柱天线的尺寸为。
Nakano等人研究的低剖面圆柱形螺旋天线。[8]在图4中显示在不同的上。半球形螺旋天线的尺寸为。双臂螺旋天线的尺寸为，其中是半径，是螺距角，是圆柱螺旋的圆周。 从图4可以看出，尽管两个天线的圆极化的角度范围相似，但是半球形螺旋天线的圆极化辐射的纯度通常在轴向方向上更高（在范围内约在5dB更好的角度 ).
电流分配和输入阻抗
目前的分布在很大程度上决定了线天线的运行[9]。 在图5中，示出了在三个归一化圆周== 1.1， == 1.23和== 1.3的五圈半球形螺旋天线的电流分布（大小分布）。 这三种情况下的导线长度分别为4.4，4.93和5.2。 可以看出，除了== 1.23的情况外，另外两种情况的电流分布表明反射电流波从开放端向馈电点反向传播。 反射的电流波将产生与正向行波电流波形相反方向的圆偏振波辐射，因此会损害由正向电流波产生的圆偏振辐射的纯度。 因此，这两种情况下的轴比对于== 1.1和3都是3dB
== 1.3为4.9 dB。 对于== 1.23的情况，电线长度大约是五个波长，并且可以看到沿着天线导线的平稳衰减的行进电流波。
图5.五个半球形螺旋天线在三个下的电流分布，
图6. 五圈半球形螺旋天线的输入阻抗
图7.在平面上的五圈半球形螺旋天线的辐射图，其中lambda;= 0和180，
这满足了这两个获得由线状天线[9]产生的圆极化辐射的条件和0.5dB的非常低的轴比。
图6显示了具有的五匝天线的测量和计算的输入阻抗。 可以看出，在3dB轴比带宽（在1.1至1.28）内，输入电阻（测量值）从175变化到75，而输入电抗（测量值）从-160变为 - 80。 我们进一步发现，当半球形螺旋的圈数增加时，输入阻抗随变化更快。
C. 辐射模式
在图9中用和的平面示出了五圈半球形螺旋天线的计算和测量的辐射方向图。 辐射方向图由一个几乎没有旁瓣的大型主瓣组成。 这个特性在从=1.1到=1.5的范围内以及从N=3到N=8的螺旋线匝数范围内持续存在。半功率波束宽度被测量为。
结论
半球形螺旋天线在理论和实验上都经过严格的研究。 这种天线提供了一个坚固的低轮廓结构，圆角偏振辐射。 对电流分布，输入阻抗，轴比，辐射方向图和功率增益进行了严格的研究。 A 14.6使用五匝天线可获得％3-dB的轴比带宽。 随着螺旋圈数和频率的增加，功率增益保持相对稳定。 辐射图通常由几乎没有旁瓣的大光滑主瓣组成。
参考
[1] J. D. Kraus, Antennas. New York: McGraw-Hill, 1988.
[2] H. E. King and J. L. Wong, “Characteristics of 1 to 8 wavelength uniform
helical antennas ,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-28, pp.
291–296, Mar. 1980.
[3] H. Nakano, H. Takeda, T. Honma, H. Mimaki, and J. Yamauchi, “Ex-
tremely low-profile helix radiating a circularly polarized wave ,” IEEE
Trans. Antennas Propagat., vol. 39, pp. 754–757, June 1991.
[4] J. M. Tranquilla and S. R. Best, “A study of the quadrifilar helix an-
tenna for Global Positioning System applications,” IEEE Trans. An-
tennas Propagat., vol. 38, pp. 1545–1550, Oct. 1990.
[5] J. C. Cardoso and A. Safaai-Jazi, “Spherical helical antenna with a
circular polarization over a broad beam,” Electron. Lett., vol. 29, pp.
325–326, 1993.
[6] H. T. Hui, K. Y. Chan, E. K. N. Yung, and X. Q. Sheng, “The coaxial-feed
axial mode hemispherical helical antenna,” Electron. Lett., vol. 35, pp.
1982–1983, 1999.
[7] R. F. Harrington, Field Computation by Moment Methods. New York:
IEEE Press, 1993.
[8] H. Nakano, H. Takeda, Y. Kitamura, H. Mimaki, and J. Yamauchi, “Low-
profile helical array antenna fed from a radial waveguide,” IEEE Trans.
Antennas Propagat., vol. 40, pp. 279–284, Mar. 1992.
[9] H. Nakano, S. Okuzawa, K. Ohishi, H. Mimaki, and J. Yamauchi, “A
curl antenna,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 41, pp. 1570–1575,
Nov. 1993.
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