测位用共形四臂圆锥螺旋天线设计与验证

申 巍，王 森，张利剑,杨 昊，王西香，雷 蕾

(1.国网陕西省电力公司 电力科学研究院，陕西 西安 710100；2.西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048；3.陕西中试电力科技有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

随着卫星定位技术在雷达探测领域的快速发展，对目标快速准确地探测和定位决定了引导的成功与否。因此，如何实现高精准定位一直是无源定位技术上的重点研究方向[1]。无源定位通过接收被测目标有意或者无意的电磁波信号来实现对被测目标的跟踪、行为轨迹形成[2]以及定位数据库建立和目标识别[3]。无源导引头中的定位天线作为无源定位技术的实施前端，属于高精密器件，其内部空间需要装载天线、芯片等大量功能器件，其性能直接影响导引头整体性能。目前，定位天线的准确度、小型化、共形化是决定导引头性能的重要因素。

常见的导引头定位天线包括：圆锥对数螺旋天线[4-5]、圆柱螺旋天线[6-7]、阿基米德螺旋天线[8]和平面正弦天线[9-10]等。其中，圆柱螺旋天线存在波瓣较窄不容易实现半圆覆盖特性；阿基米德螺旋天线需要牺牲工作带宽为代价减小背腔螺旋体积；平面正弦天线的带宽略窄并且不容易提高低仰角增益。上述天线在实际工程应用中均会占据导引头空间及相互影响。

导引头专用卫星探测天线通常安装在导引头内部或者表面，接收单一或者多连发卫星探测信号。在实际工程应用中，安装天线的空间是有限的，在保证天线正常工作特性的情况下，还需要共形设计使其能够在导引头外壳结构环境下工作[11-13]。针对上述问题，本文提出了一种覆盖导引头外壳的一体化圆锥形天线设计，将圆锥对数螺旋天线采用平面微带天线的形式覆盖在导引头外表，该天线具有低损耗、高增益、质量轻、节省导引头内部空间与导引头一体化的特点，同时制作了实物进行验证。

1 天线一体化设计

螺旋天线是以螺旋形状的辐射元件设计而成的天线，可以由导电性能良好的金属螺旋线弯曲固定或者螺旋金属片粘贴在介质表面等构成[14]。文献[15]采用了步进阶梯与螺旋结构的设计，有效减小了天线尺寸。文献[16-17]采用了短路加载技术，实现了双频且紧凑的金属贴片天线性能；文献[18]采用了顺序缝隙螺旋天线，通过双面缝隙实现了双频。

导引头用的螺旋天线可分为圆柱形和圆锥形，圆柱形螺旋天线相对较容易实现良好的圆极化以及较宽的频带特性，但是波瓣宽度较窄；圆锥螺旋天线通过调节圆锥和螺旋尺寸可以实现良好的宽带、宽角并且可以产生单向辐射主波束等特性，避免了平面型等螺旋天线的背腔结构[19-20]。因此，本文选取圆锥形导引头模型，根据其基本结构参数设计了相应的天线。

所设计的螺旋天线可以用圆锥体上下直径D1和D2、螺旋圈数n以及螺旋线上下宽度W和W2表示，其最大辐射方向与螺旋直径、旋转角等有关，当螺旋线圆周长πd为1λ左右时，在螺旋旋轴方向上会展现最强辐射的特性，因此被称为轴向模螺旋。轴向模螺旋天线，具有宽带宽、中等增益和发射单向波束的特点，主要应用于定向信号覆盖。

圆锥形螺旋天线的曲线方程可以表示为

r=r0exp(aφ)

(1)

a=sinθ0/tanα

(2)

式中:r0为初始点矢径；φ为需要求坐标系中的方位角；a为半径的增长率；α为螺旋角，θ0为介质圆锥的半锥角。所以α和θ0会直接影响螺旋臂的增长率，结合初始点矢径r0得出圆锥螺旋天线曲线。四臂圆锥螺旋天线辐射元件由4条金属带构成，每一条金属带由2条曲线组成。另一条曲线的方程表示为

ρ′=ρ0exp(a(φ-δ))

(3)

式中:δ为圆锥螺旋天线的角宽度，2条曲线组合构成了金属带。对于四臂螺旋天线来说，其他3条金属带可由上面所描述的一个臂绕着z轴分别旋转90°、180°、270°得到。

本文设计的一体化四臂圆锥螺旋天线是针对圆锥形通信导引头，将平面等角四臂螺旋天线结构[21]在介质圆锥体表面共形成为四臂圆锥螺旋天线。该圆锥等角四臂螺旋天线以锥形结构为基础，结合现有整体导引头圆锥模型，由非金属圆锥体介质材料结构以及采用印刷贴片的方式环绕在锥体上的4条螺旋金属带2部分组成。4条等长金属带按照一定轨迹贴合或印制在非金属椎体介质外壳上，为了形成天线圆极化，金属带绕向与天线最大辐射方向，最终构成天线辐射体。天线辐射体完全覆盖在导引头表面，未占用内部空间，最大化节省了天线占用的导引头空间。

设计的天线利用CST Microwave Studio仿真软件进行了仿真设计，图1是所设计天线的形状和几何参数，圆锥体上下直径为D1和D2、现有导引头直径为D3，螺旋线上下宽度为W和W2，h1为圆锥高度，h2和h3分别为现有导引头过度高度和圆柱高度，螺旋金属贴片倾角为θ，贴片与导引头金属之间距离为L1，P1、P2、P3、P4和P5为5个馈电接口。

图 1 天线结构Fig.1 Antenna structure

图1中，为了形成圆极化，采用贴片印刷的形式，在导引头外壳表面设置4条相同的铜带状线，形成天线的辐射体。给出常用导引头外壳形状，并标注了相应参数及高度。

铜带状线的末端与图1的馈电匹配网络相连接。由于馈电匹配网络馈电端输入信号的幅度、相位对四臂螺旋天线的圆极化特性会产生影响，为了实现天线圆极化特性，需要对4条天线臂对应的4个端口进行等幅及相邻端口相位依次相差90°的馈电。

本文采用微带功分器电桥馈电，该方式具有频带宽、尺寸小、易实现等幅、相位相差90°等优点[22-23]。采用环形电桥，最大程度的利用空间，根据阻抗计算公式可以将各微带线对应的初始线宽计算得出，所设计的馈电匹配网络提供4个连接点等幅和两两90°的相位差。

图2展示了天线辐射体的仿真结果，显示在中心1.575 GHz主频处正常工作，频带宽达2.5 GHz。

图2中，螺旋四臂圆锥形缠绕可实现频率0.5～3 GHz范围内都具有良好的反射特性。在中心主频处反射系数可以达到-24.4 dB。

图 2 辐射体仿真特性Fig.2 Radiator simulation characteristics

结合实际圆锥体结构设置了3个固定用螺孔，天线馈电网络仿真模型如图3所示，分别由4条阻抗匹配微带线以及P1、P2、P3、P4和P55个馈电接口组成。

图3展示了馈电匹配网络仿真结果，显示工作在1.575 GHz主频处具有良好的特性，根据图3所显示相位角度可得出，相位分别为-99.2°、168.2°、77.2°、-15.5°，两两端口相位差分别为-97.4°、-91.0°、-92.7°，达到标准。

图 3 馈电网络相位差Fig.3 Feed network phase difference

通常情况下假设圆锥螺旋天线为慢波结构，那么馈电流向为从底部回路到四臂螺旋金属条，馈电途中电流经过导引头辐射范围时天线将转变成快波结构，向圆锥体的短周长方向形成一个背向射出的辐射方向图。此刻，由于设计覆盖在介质圆锥体表面的螺旋金属贴片辐射是单向性的，所以形成的圆极化只能是单向的。

基本上圆锥螺旋天线在周长约为一个波长的有效辐射区域内时，频率的变化会直接影响到有效辐射区的位置变换。频率越高辐射区越偏向圆锥体的短边，频率越低辐射区越偏向圆锥体长边，根据此特性可直接利用圆锥体长短边周长来决定天线工作带宽，实现天线宽带特性[24-25]，通过CST仿真软件，对圆锥体长短边周长进行了调整，确定了最优化的长短边周长取值。

根据金属带围绕圆锥体的方向，所设计的天线实现了左圆极化以及宽带特性，图4是设计天线的高位角方向辐射图。最大增益在θ=0°，约5.2 dB，θ=90°时,增益为-10 dB，前后方比值为20 dB。

图 4 辐射方向图Fig.4 Radiation pattern

最终设计的四臂圆锥螺旋天线尺寸如表1所示。

表 1 天线设计尺寸Tab.1 Antenna design dimensions

2 天线的制作和测试

采用微带黏接法进行加工制作,图5为一体化四臂圆锥螺旋天线的实物照片。将4条螺旋片缠绕在介质圆锥表面，成为四臂圆锥螺旋天线。

图 5 模型天线照片Fig.5 Model antenna photo

图5右侧为馈电匹配网络实物照片，插入到介质圆锥低部和导引头金属腔体内部之间，其外围4个线端口在圆锥低部与4个螺旋臂各自焊接在一起，形成馈电的结构。

圆锥介质材料厚度0.05 mm，介质相对介电常数为2.2，铜箔厚0.035 mm。馈电网络介质材料厚度为0.787 mm，介质相对介电常数为2.5。馈电网络微带端口焊接一个SMA接头，进而与同轴电缆相连接用来测量反射系数、轴比、最大增益等。天线覆盖在圆锥形导引头表面共形，馈电网络设置在圆锥体底部，节省了传统陶瓷天线占据导引头的内部空间，最大化了现有导引头内部圆锥体积可达约71.5 cm3。

所制作的天线仿真结果和测试结果对比如图6所示，测试结果是反射系数-10 dB以下，频段为1.431～1.687 GHz。图7为测试方向±60°范围内轴比为2.5 dB，最大增益测试值是5 dB。

图 6 反射系数测试对比图Fig.6 Reflectance test comparison map

图 7 轴比测试对比图Fig.7 Axis ratio test comparison graph

根据仿真与测试结果对比图得出以下结论：共形四臂圆锥螺旋天线的工作频段和在-60°～ 60°内与仿真结果较为吻合，在1.585 GHz频率反射系数达到-33 dB，主频率相对右偏移一点，轴比波动实测值偏差范围在0.5 dB以下，均处于3 dB。考虑到仿真结果与实际差异性以及天线加工中存在的误差和测试误差，仿真结果略优于实测结果符合设计规律，原因可能是加工精确度、损耗和焊接造成的。

3 结 论

本文以共形四臂圆锥螺旋天线作为一种测位用无源雷达圆锥形导引头的圆极化天线实现方案，选取圆锥形导引头模型，根据其模型参数，进行天线的设计、加工与验证工作。采用微带黏接技术加工圆锥共形螺旋臂，采用微带馈电匹配网络与螺旋臂相连接，组成了所设计的安装在导引头圆顶表面的1.575 GHz卫星定位天线，底面直径53 mm,高70 mm，馈电电路保证4条螺旋臂之间的90°的相位差，以导引头辐射方向为标准，在±60°范围内提供2.5 dB轴比和5 dB的增益，测试结果显示此天线符合要求并具有良好的使用特性。在实际应用中，可以提供一种有效节省天线空间的导引头内部空间设计方法。