CN109255165B - 一种提高螺旋天线带宽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及螺旋天线技术领域，公开了一种提高螺旋天线带宽的方法。具体包括以下过程：步骤1，在螺旋天线工作频率范围之间选择两个频率，根据频率点将螺旋天线划分为三段，并在螺旋天线尾部增加第四段螺旋线；步骤2，计算螺旋天线的参数，所述参数包括每一段的直径、螺距、螺旋圈数和递变直径；步骤3，进行全波仿真调节螺旋天线的参数。本发明的技术方案，使相同工作频率范围内，比现有的螺旋天线设计方案的驻波、轴比、增益等性能好，工作带宽远大于传统设计方法。

Description

一种提高螺旋天线带宽的方法
技术领域
本发明涉及螺旋天线技术领域，特别是一种提高螺旋天线带宽的方法。
背景技术
螺旋天线即轴向模螺旋天线，指螺旋直径D约为0.25～0.46倍波长时，最大辐射方向沿着螺旋线的轴线，辐射场为圆极化，输入阻抗近似为纯电阻的天线。通常为了获得较好的天线性能，螺旋天线的螺旋直径D、螺距S和螺旋圈数N需与工作波长λ满足严格的关系，而能同时满足三个关系的频段较窄，所以高性能螺旋天线只能工作在很窄的频段内，为了展宽高性能螺旋天线的工作频带，可以递变螺旋天线的有关几何参数，比如螺距S、螺旋线直径D等。
现有螺旋天线设计方法中，为展宽天线工作带宽，递变螺旋线螺距S和螺旋线直径D，但整个天线中螺旋线的螺距S和螺旋线直径D变化模式只有一种，即N圈螺旋线形成锥台的锥度为一定值，这种方法对高性能螺旋天线工作频段展宽效果有限，不能实现更宽的工作带宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种提高螺旋天线带宽的方法。
本发明采用的技术方案如下：一种提高螺旋天线带宽的方法，具体包括以下过程：步骤1，在螺旋天线工作频率范围之间选择两个频率，根据频率点将螺旋天线划分为三段，并在螺旋天线尾部增加第四段螺旋线；步骤2，计算螺旋天线的参数，所述参数包括每一段的直径、螺距、螺旋圈数和递变直径；步骤3，进行全波仿真调节螺旋天线的参数。
进一步的，所述步骤1中，螺旋天线的工作频率为fL～fH，在fL～fH之间选定两个频率点f1、f2，则fL～f1，f1～f2和f2～fH三个频率段对应第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线，所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线和第四螺旋线依次首尾连接。
进一步的，所述步骤2的具体过程为：步骤21，根据频率点fL，f1、f2和fH，用直径
Figure BDA0001776200570000021
公式计算出频率点对应的四个直径D1、D2、D2、D4，其中λ为频率点对应的波长；步骤22，根据螺距S＝πD×tanα，其中α为螺旋节距的升角(取值5°～16°)，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺距S1,S2和S3；步骤23，根据天线增益要求及轴向长度L限制，由L＝S1N1+S2N2+S3N3+S4N4计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1,N2和N3,所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1,N2和N3需满足大于等于2的条件，其中第四段螺旋线N4为2；步骤24，根据
Figure BDA0001776200570000022
其中i∈{1,2,3,4}，D5第四段螺旋线未连接端的直径(小于D4，可根据螺旋线机械安装固定要求，取较小的值)，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线、第四段螺旋线的直径递变ΔD1，ΔD2，ΔD3，ΔD4。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明的技术方案，使相同工作频率范围内，比现有的螺旋天线设计方案的驻波、轴比、增益等性能好，工作带宽远大于传统设计方法。
附图说明
图1是本发明宽带高性能柱螺旋天线螺旋线的结构示意图。
图2是本发明宽带高性能柱螺旋天线驻波仿真曲线的示意图。
图3是本发明宽带高性能柱螺旋天线轴比仿真曲线的示意图。
图4是本发明宽带高性能柱螺旋天线方向图仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种提高螺旋天线带宽的方法，如图1所示是螺旋天线的结构示意图，具体包括以下过程：
步骤1，在螺旋天线工作频率范围之间选择两个频率，根据频率点将螺旋天线划分为三段，并在螺旋天线尾部增加第四段螺旋线；
本实施例的螺旋天线的工作频率为1GHz～1.7GHz，在1GHz～1.7GHz之间选定两个频率点1.2GHz、1.45GHz，则1GHz～1.2GHz、1.2GHz～1.45GHz、1.45GHz～1.7GHz三个频率段对应第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线，所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线和第四螺旋线依次首尾连接。
步骤2，计算螺旋天线的参数，所述参数包括每一段的直径、螺距、螺旋圈数和递变直径；
其中，所述步骤2的具体过程为：步骤21，根据频率点1GHz、1.2GHz、1.45GHz和1.7GHz，用直径
Figure BDA0001776200570000031
公式计算出频率点对应的四个直径D1、D2、D3、D4，其中λ为频率点对应的波长；步骤22，根据螺距S＝πD×tanα，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺距S1,S2和S3，第四段螺旋线的螺距S4根据选定的实际情况为已知量；步骤23，根据天线增益要求及轴向长度L限制，由L＝S1N1+S2N2+S3N3+S4N4计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1,N2和N3,所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1,N2和N3需满足大于等于2的条件，其中第四段螺旋线N4为2；步骤24，根据
Figure BDA0001776200570000032
其中i∈{1,2,3,4}，D5第四段螺旋线未连接端的直径，为已知量，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线、第四段螺旋线的直径递变ΔD1，ΔD2，ΔD3，ΔD4。参数具体值如下表1。
表1
频率f 递变螺旋线 D S N ΔD
1GHz 第一段 95.5 31.5 3 1.5
1.2GHz 第二段 79.6 26.3 6 1.2
1.45GHz 第三段 65.9 21.7 9 1
1.7GHz 第四段 56.2 18.5 2 6
用上表1几何参数建立螺旋线模型，如图1所示，螺旋线最大直径为95.5mm，总长度为485mm。
步骤3，进行全波仿真调节螺旋天线的参数。
采用全波电磁仿真软件计算天线辐射性能，根据仿真结果对几何参数进行微调，得到天线驻波曲线如图2，全频段驻波小于1.38，轴比曲线如图3，全频段轴比小于0.72dB，方向图如图4所示，增益大于12.2dBi。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种提高螺旋天线带宽的方法，其特征在于，具体包括以下过程：步骤1，在螺旋天线工作频率范围之间选择两个频率，根据频率点将螺旋天线划分为三段，并在螺旋天线尾部增加第四段螺旋线；步骤2，计算螺旋天线的参数，所述参数包括每一段的直径、螺距、螺旋圈数和递变直径；步骤3，进行全波仿真调节螺旋天线的参数；
所述步骤1中，螺旋天线的工作频率为fL～fH，在fL～fH之间选定两个频率点f1、f2，则fL～f1，f1～f2和f2～fH三个频率段对应第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线，所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线和第四螺旋线依次首尾连接；
所述步骤2的具体过程为：步骤21，根据频率点fL，f1、f2和fH，用直径
Figure FDA0003659068500000012
公式计算出频率点对应的四个直径D1、D2、D3、D4，其中λ为频率点对应的波长；步骤22，根据螺距S＝πD×tanα，其中α为螺旋节距的升角，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺距S1，S2和S3；步骤23，根据天线增益要求及轴向长度L限制，由L＝S1 N1+S2 N2+S3 N3+S4 N4计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1，N2和N3，所述第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线的螺旋圈数N1，N2和N3需满足大于等于2的条件，其中第四段螺旋线N4为2，S4为第四段螺旋线的螺距；步骤24，根据
Figure FDA0003659068500000011
其中i∈{1，2，3，4}，D5第四段螺旋线未连接端的直径，计算第一段螺旋线、第二段螺旋线、第三段螺旋线、第四段螺旋线的直径递变ΔD1，ΔD2，ΔD3，ΔD4。
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