输入阻抗可控的宽频带小型螺旋天线的理论分析与设计

In this project, a series of wideband small helical antenna with controllable input impedance for circular polarization will be studied, analyzed and designed. Firstly, differing from the conventional wire helical antennas,the small helical antennas are made of metallic strip with uniform width. The metallic strip together with the substrate and ground plane works as microstrip-line mode, such that the input impedance of the small helical antennas can be controlled by the width of the metallic strip and this type of small helical antennas are suitable for feeder with different characteristic impedance. Then, a new kind of antenna structure, a helix electromangetic coupling with a metallic patch, will be proposed and analyzed. The coupling metallic patch can reduce the reflective surface current along the helix. On the other hand, an electromagnetic wave for circular polarization at certain frequency can be excited on the metallic patch. So the proposed method can enhance the bandwidth for circular polarization greatly. In a word, this project, which is focus on controllable input impedance, compact size and wideband bandwidth of the helical antenna, will increase the application of small helical antenna in morden wireless communication systems.

本项目将研究、分析并设计一系列具有输入阻抗可控特性的宽频带小型圆极化螺旋天线。首先，不同于传统的金属线螺旋天线，我们将采用具有一定宽度的金属片代来制作小尺寸的螺旋天线。这种金属片状的螺旋底部与填充介质和接地板可构成一个类似微带线的模型，通过调整金属片的宽度可以有效控制小型螺旋天线的输入阻抗，从而让小型螺旋天线能适用于不同特征阻抗的激励源。然后，我们将首次研究片状螺旋与金属微带贴片相结合的工作模式，分析在金属片状螺旋的开口端顶部以电磁耦合的方式加载一个金属贴片的天线模型。一方面，加载的金属贴片有利于减小小型螺旋上的反射表面电流；另一方面，通过合理的设计，在金属贴片上也可激励出圆极化谐振波。因此，这种方法可以大幅的改善小型螺旋天线的圆极化工作带宽。综合来看，本项目将在螺旋天线输入阻抗可控性、小型化和工作带宽的宽频化三个方面找出一些通用的方法和理论，以丰富小型螺旋天线在现代无线通信系统上的应用。

本项目研究并设计了一系列宽频带小尺寸的圆极化片状螺旋天线，对轴向模片状螺旋天线分别工作于行波模式、与金属贴片相结合的谐振模式、和对称偶极子模式进行了深入分析，在实现天线的宽带化、小型化和高增益化方面取得了较大进展。首先，我们采用具有一定宽度的金属片来设计一种绕制一圈左右的片状螺旋天线。通过调整金属片的宽度，可以有效控制这种片状螺旋天线的输入阻抗，从而获得超过70%的阻抗带宽。同时，这种片状螺旋天线在半个波长的剖面高度下可以实现50%的轴比带宽。然后，为了进一步降低天线的剖面高度，并改善这种片状螺旋天线的辐射方向图对称性，我们研究了将片状螺旋与金属贴片相结合的工作模式，设计并分析了在片状螺旋的开口端顶部以电磁耦合的方式加载一个金属贴片的天线模型。一方面，通过大幅降低螺旋的上升角，可以将天线的剖面高度降低至四分之一个波长，同时天线从行波工作模式转至谐振工作模式；另一方面，加载的金属贴片受到片状螺旋的电磁耦合激励，可激励出基模模式的圆极化谐振点，从而有效拓宽天线的整体圆极化带宽。实验结果表明，这种方法可在天线剖面高度为四分之一的条件下实现超过40%的轴比带宽。最后，我们从改善天线的结构对称性和提高天线增益的角度出发，提出了一种全新的螺旋偶极子天线模型，这种天线结构简单，但拥有优良的圆极化辐射性能。从数值仿真数据上看，在剖面高度为半个波长的条件下，可以实现了超过60%的圆极化带宽，并且在带宽内增益稳定在11dBi附近。同时天线的辐射方向图具有对称性优良，低交叉极化，高前后比等优点。综合来看，本项目在实现轴向模片状螺旋天线的宽频化、小型化和高增益化方面提出了一些通用的方法和技术，大幅提升了片状螺旋天线的整体性能，使其在卫星通信、卫星定位系统及射频识别等领域具有重要的应用价值。