车载宽波束四臂螺旋天线设计

摘要

为了更好地完成运动中的实时通信，卫星通信系统要求所使用的天线具有宽波束辐射特点。四臂螺旋天线依靠其自身的心形方向图实现宽波束辐射，同时又具有良好圆极化辐射特性，成为了卫星系统天线的首选。本文研究的主要内容是三种用于车载卫星通信的四臂螺旋天线的设计，以及一种移相功分网络的设计，并在最后提供了一种新结构下的四臂螺旋天线参考设计。论文的具体内容如下：
　　首先，是两种不同结构的四臂螺旋天线设计。第一种天线的螺旋臂结构为单根螺旋，螺旋臂的升角控制在44°，天线工作在2.2GHz±50MHz的频段上，辐射左旋圆极化波。实测结果表明，端口驻波比在工作频带内小于2:1。天线在俯仰角20°上有大于等于-0.5dBi的增益，其增益下降3dB的波束宽度达到了130°，具有宽波束辐射的特性。天线轴比在3dB以下的广角角度范围达到了130°，轴比性能良好。第二种天线采用叉状螺旋臂的改进结构，每条螺旋臂分为长短两个分支，螺旋升角都为44°，实现了天线的双频谐振。实测结果表明，在两个频段2.2GHz±50MHz和2.73GHz±30MHz上都满足端口驻波小于2:1。低频段内的-3dB波束角范围为122°，同时满足轴比小于3dB；高频段内的-3dB波瓣约为130°，满足轴比小于3dB。
　　然后，设计了一种小型化的四臂螺旋天线。天线采用折弯螺旋臂形式的曲流设计，天线高度降低了10％。并且，我们设计了一种与辐射体配套的功分器来为其馈电。馈电网络的结构为Wilkinson功分器和90°电桥的组合，并在前一级的Wilkinson功分器中加入谐振分支结构来实现宽带化。网络通过两个正交电桥进行等分功率四端口输出，输出相位按顺时针方向依次为0°、90°、180°和270°。将天线组装测试，得到的驻波比结果表明，网络端口的驻波比在1.8～2.4GHz都满组小于2:1，带宽增加了22％。天线在俯仰角20°上有大于等于-1dBi的增益，其增益下降3dB的波束宽度达到了125°，轴比小于3dB的波束宽度为123°。以上所设计的天线均能满足车载卫星通信系统的应用需求。
　　最后，仿真设计一种半球面结构的四臂螺旋天线。天线同样工作在2.2GHz频段上，其半球形的设计使天线的高度降低了62％。通过软件仿真，得到天线性能的计算值，增益大于0dBi的波束宽度为136°，轴比小于3dB的波束宽度为150°。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究发展现状

1.3本课题的研究内容和全文章节安排

第二章 四臂螺旋天线概述

2.1引言

2.2四臂螺旋天线的基本结构

2.3相关理论分析

2.4四臂螺旋天线的馈电形式

2.5天线几何尺寸对性能的影响

2.6四臂螺旋天线的小型化和宽带化技术

2.7本章总结

第三章 两种印刷四臂螺旋天线设计

3.1引言

3.2原型天线设计

3.3双频印刷四臂螺旋天线设计

3.4本章总结

第四章 小型化四臂螺旋天线和馈电网络设计

4.1引言

4.2折弯型结构天线设计

4.3底部馈电网络设计

4.4半球面四臂螺旋天线设计

4.5本章总结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

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