基本信息
- 项目名称：
- 加载金属圆片的高增益轴向模螺旋天线
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 首次采用了加载金属圆片的方法提高天线增益，并首次将仿真所获得的表面电流的幅值和相位与线天线的阵列理论结合起来，得出了加载螺旋天线的辐射模型和长反射器引向天线的等效振子阵列模型，解释了这两种新型天线的辐射机理，还通过表面电流的仿真解释了天线的宽带特性和所设计的宽缝隙天线的圆极化特性。
- 详细介绍：
- 提出了一种提高轴向模螺旋天线增益的方法，通过在螺旋天线辐射方向上引入与螺旋线不接触的寄生金属圆片，该圆片上会产生一个相位滞后于螺旋线上电流的环电流，可以使辐射场更加集中，从而提高天线的增益。根据软件仿真的结果，提出了与这种螺旋天线的辐射特性等效的独立馈电的天线阵列模型，很好地解释了它的辐射特性。软件仿真与实验结果表明，与传统的提高螺旋天线轴向长度以提高天线增益的方法相比，采用该方法可以显著降低天线的轴向长度，仅为相同增益的螺旋天线长度的74%，对于天线的小型化很有益处。该方法对天线的带宽影响较小，是一种有效地减小天线尺寸的方法，可以广泛应用于螺旋天线单元及阵列设计中。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为实现轴向模螺旋天线的高增益特性，提出一种提高增益的方法，并在理论上对这种方法的作用机理进行阐述和说明。根据阵列天线的基本理论，将螺旋天线等效为环电流阵进行分析。
科学性、先进性及独特之处
- 提出了一种提高轴向模螺旋天线增益的方法，并首次建立了该方法的等效环电流阵模型，根据该模型使所设计的高增益轴向模螺旋天线的各个特性的实验结果均得到了理论上的定量的解释。
应用价值和现实意义
- 对于螺旋天线来说，由于其本身的特点，所以它在通信系统中有很重要的应用，它的圆极化特性决定了它可以接受来自各个方向的电磁波，利用螺旋天线的这一特性有重要的意义
学术论文摘要
- 提出了一种提高轴向模螺旋天线增益的方法，通过在螺旋天线辐射方向上引入与螺旋线不接触的寄生金属圆片，该圆片上会产生一个相位滞后于螺旋线上电流的环电流，可以使辐射场更加集中，从而提高天线的增益。根据软件仿真的结果，提出了与这种螺旋天线的辐射特性等效的独立馈电的天线阵列模型，很好地解释了它的辐射特性。软件仿真与实验结果表明，与传统的提高螺旋天线轴向长度以提高天线增益的方法相比，采用该方法可以显著降低天线的轴向长度，仅为相同增益的螺旋天线长度的74%，对于天线的小型化很有益处。该方法对天线的带宽影响较小，是一种有效地减小天线尺寸的方法，可以广泛应用于螺旋天线单元及阵列设计中。
获奖情况
- 该论文的前期工作已发表于国际通信技术会议ICCT2010，并获得哈工大首届“祖光杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖 本论文为其后续更为深入的研究，已投稿国际期刊PIER。
鉴定结果
- 该论文提出的方法新颖，理论模型与实验结果吻合，所设计的天线指标高于国内外同类天线水平。
参考文献
- [1] H. T. Hui, Edward K. N. Yung, C. L. Law, Y. S. Koh, W. L. Koh. Design of a Small and Low-Profile 2×2 Hemispherical Helical Antenna Array for Mobile Satellite Communications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(1): 346-348 [2] Xiang-Qiang Li, Qing-Xiang Liu, Xiao-Jiang Wu, Liu Zhao, Jian-Qiong Zhang, Zheng-Quan Zhang. A GW Level High-Power Radial Line Helical Array Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(9): 2943-2948 [3] S. I. S. Hassan, M. F. Ah, A. R. Arief. Four Beams Helical Antenna Array for Mobile Satellite Application. 2004 RF and Microwave Conference, Subang, Selangor, Malaysia, 2004: 53-55 [4] F. Yang, P. Zhang, C.-J. Guo, J.-D. Xu. Axial-mode elliptical helical antenna with variable pitch angle. Electronics Letters, 2008, 44(19):1103–1104 [5] SunDayuan, Design of Reflector Antenna Fed by Backfire Helix, Spacecraft Engineering, 2008, 17(2): 59-62
同类课题研究水平概述
- 螺旋天线是由螺旋形的金属线作为辐射体，由于螺旋线缠绕的形状不同，包括圆柱螺旋、椭圆柱螺旋、圆锥螺旋以及球面螺旋等，其中轴向模是螺旋天线的一种重要的工作模式，该种模式主要产生沿着螺旋轴向的辐射，并且辐射的电磁波是圆极化波，所以广泛应用于卫星通讯中，近来随着移动通信的发展，为了获得大范围的稳定的无线局域网络覆盖，轴向模螺旋天线也被用作基站天线。轴向模式工作的螺旋天线的输入阻抗在较宽频带（理论值接近2:1的频率范围）内近似是一个常数，约为140Ω，所以具有宽带阻抗特性。通常螺旋天线的增益由螺旋圈数确定，螺在螺距一定的情况下，旋线越长天线增益就越高，但是当圈数过大时，增益提高的效果就不明显了，并且天线的制作也将变得十分复杂。所以为了获得高增益，可以采取组阵的方法【1-2】，但是这样会引入复杂的馈电网络【3】，所以也就限制了阵列的应用；文献【4】提出了一种变升角的轴向模椭圆柱形螺旋天线，是一种增益较高的天线，圆通过软件仿真证明了变升角椭螺旋和普通螺旋天线在相同的轴向长度、圈数条件下相比，增益在一定频率范围内最大可增加1dB左右。文献【5】提出了一种具有大反射面的圆极化天线，采用了后向辐射的螺旋天线作为馈源，研究了一个抛物面天线，具有较高的增益和简单的结构，已经成功地应用到了中国的嫦娥卫星上。
