卫星导航终端小型化开口缝隙螺旋天线

研究了一种小型化卫星导航终端开口缝隙螺旋天线。天线主体为四条宽度渐变的开口缝隙螺旋臂,蚀刻在外表面覆铜的介质基板围成的方型结构上,由印制于介质基板内表面的微带线结构馈电网络进行耦合馈电;馈电网络由底面回形结构和侧面逐渐向上变宽的折形结构组成,使用同轴线接头在天线底部对其馈电。天线总体尺寸为26 mm×26 mm×29 mm,实测结果表明:|S_(11)|≤-10 dB的阻抗带宽为7.88%(1.523 GHz~1.648 GHz),轴比≤3 dB的圆极化带宽为20.26%(1.490 GHz~1.826 GHz),在北斗B1频段中心频率(1.561 GHz)、GPS L1频段中心频率(1.575 GHz)和GLONASS L1频段中心频率(1.602 GHz)处增益分别达到3.33 dBi、3.18 dBi和2.79 dBi。该天线采用开口缝隙螺旋结构,通过简单的馈电网络串行耦合馈电实现天线的圆极化,在较小尺寸情况下实现了较宽的带宽和较好的增益。

使用石墨烯的超宽带轨道角动量螺旋天线设计

轨道角动量涡旋波束各个模态之间相互正交,可以很好地解决频谱资源紧张的问题。针对目前轨道角动量天线普遍存在带宽较窄的问题,设计了一种太赫兹频段的超宽带轨道角动量四臂螺旋天线。研究了馈电端口之间连续相位差与生成模态之间的关系,使用了一种石墨烯双环结构并通过调整优化天线的的结构尺寸来提高天线的性能。实验结果表明,通过简单调整馈电相位差,就能够产生模态数为0、1、2和3的涡旋波,并且不同模态下天线的增益均在7.5dBi以上。同时所设计的天线绝对带宽达到了8.85THz,在中心频率6THz处其相对带宽可以达到147%,S11为-50dB,与传统天线相比改善较大,为太赫兹频段的模态复用提供了一定的现实意义。

S频段阿基米德锥柱螺旋天线设计

根据卫星S频段测控系统通信需求,设计了S频段宽频带高增益圆极化的阿基米德锥柱螺旋天线。通过四分之一波长同轴缝隙巴伦完成信号的平衡-不平衡转化以及宽带阻抗匹配。双臂阿基米德天线可以很好地提供圆极化特性,作为锥台的FR4材料除了为天线提供支撑,也有效地完成了增益与波束宽度的控制。实测天线在收发频段内驻波比小于1.5,±70°范围内增益大于0 dBi,轴比小于5 dB,可有效地实现测控天线的收发复用功能。

星载双臂螺旋天线结构设计与振动仿真测试

本文根据某型航天器的任务需求,设计了一种星载双臂螺旋天线。设计过程中基于火箭发射过程中严苛复杂的力学环境,针对天线可能承受的高强度振动,充分考虑天线的材料、安装、结构强度等因素,对天线进行了多项力学仿真。仿真结果符合设计要求,并且与力学环境试验结果相符。天线电气性能测试结果在力学环境试验前后无明显变化。该天线结构简单,安装便捷,性能可靠,具有良好的空间适应性,对具有类似结构的星载天线有着指导意义。

GIS局部放电检测用小型化平面螺旋天线研究

随着变电站中气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的广泛应用,局部放电检测逐渐成为发现故障隐患的重要手段。基于超高频(UHF)局部放电的检测原理,设计了一种工作于UHF频段的小型化天线。该天线基于传统阿基米德平面螺旋天线,利用一种振幅随着幅角线性增加的新型正弦波加载方式对天线进行进一步的小型化处理。通过HFSS软件进行仿真和试验验证,结果表明该天线在端口性能、方向性能以及增益等方面均满足局部放电检测的要求;同时天线尺寸较小,使用时易于安装,后续在GIS设备局部放电现场检测中有较大应用前景。

基于柔性馈电螺旋天线和硅光电倍增管的GIS局部放电联合传感技术

由于现场干扰和系统噪声的影响,通过常规电学方法检测气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内的局部放电(partial discharge,PD)容易造成漏检与误检的情况。为提高局部放电检测的准确率,并进一步探究GIS中不同缺陷的放电特性差异,该文提出基于粒子群优化算法的四臂螺旋天线优化流程,设计适配的柔性功分馈电网络,并与荧光光纤加载的硅光电倍增管结合,形成基于特高频(ultra high frequency,UHF)天线和硅光电倍增管结合的局部放电光–电联合传感技术。在此基础上,通过联合传感器对GIS典型缺陷放电信号进行侦测并作统计分析。结果表明,柔性功分网络加载的四臂螺旋天线在0.5~2.0GHz范围内增益均高于5.0dBi,具有高增益与小型化特性;联合传感器的光信号与特高频信号均与放电量保持线性关系;光电联合传感对于电晕放电、沿面放电和气隙放电具有不同的感知效率,不同缺陷类型的局部放电间隔时间也具有不同的特征。使用光–电联合检测技术能够为GIS中的局部放电检测提供新的、可靠的解决方案。

小型化超宽带槽螺旋天线的设计

介绍了一种经过复杂变形的槽螺旋天线,该天线具有超宽的频带。与普通平面螺旋天线相比,该天线减小了天线尺寸,简化了天线结构。仿真和实测结果显示天线具有良好的圆极化和宽频带特性,在频段0.75GHz～8GHz(10.7∶1)上实测反射损耗小于-10dB,同时在频段0.95～8GHz上有较好的圆极化辐射特性。

宽频带的微带等角螺旋天线设计

为了实现宽频带天线指定方向的高性能辐射,设计了一种宽频带的微带等角螺旋天线。为实现阻抗匹配,天线馈电部分设计了一种指数渐变式微带巴伦结构。经过实物测试参数,结果表明加入了指数渐变巴伦结构后天线实现了良好的阻抗匹配并具有良好的宽频带特性,其工作带宽为1.74~4.82 GHz,回波损耗最低达-30 dB。同时设计了一个平底型金属反射腔用于反射背向电磁波,在保持宽频带工作特性的同时,使天线具有了良好的单向辐射特性,天线在整个工作频段内的增益均大于6 dB,与传统的螺旋天线相比,具有宽频、定向、高增益的特点,具有一定应用前景。

基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计

为满足运载火箭轨道作业段遥测全帧码流中有效载荷姿态、冲击、速率等关键信息参数的挑路、帧重构及传输的需求,提出了一种基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计。本文在通过COMSOL仿真软件对系统双臂螺旋天线在轴向工作模式下的散射参数(Scatter参数,S参数)和远场辐射方向图进行电磁波、频域及重力场耦合仿真分析的基础上,选择了385 MHz、4.77 GHz频段作为主、备份频段进行天基遥测数据的传输,最后在整箭模拟飞行测试中进行了天基遥测系统空间衰减等效实验。实验结果表明,地面天基检测站“捕获”、“载波”、“帧同步”、“符号同步”功能正确,精准完成了箭载天基遥测系统状态锁定,近地轨道处遥测数据传输速率稳定保持在1.2 Mbps,系统链路余量充裕,与现有系统相比同等条件下的箭地通信速率提升比至少达到了76%。

馈源杯圆度误差对螺旋天线电性能的影响分析

馈源阵作为星载天线的核心部件,其馈源辐射杯圆度误差显著影响天线的馈电性能,因此,探究馈源单元电性能与圆度误差的关联性极为重要。以某卫星天线馈源阵三维单馈源为例,基于几何绕射理论,将圆度误差引入方向图函数,建立了电磁耦合模型;基于FEKO电磁软件,分析了圆度误差对馈源单体最大增益、波束宽度等主要馈电性能指标的影响规律。研究结果表明,频率越大,增益与波束宽度对圆度误差越敏感。当馈源杯直径存在尺寸误差时,圆度误差导致的电性能变化与尺寸误差之间为振荡关系。文章研究工作可为探求天线制造误差与电性能的关联性提供一定的借鉴与指引。

一种新颖的星载四臂螺旋天线巴伦的设计

根据卫星导航定位中的天线宽波束、圆极化、低仰角增益等要求,设计了一种新颖的适用于四臂螺旋天线的馈电巴伦。通过在天线外导体上开4条长度呈一定规律的缝隙来实现巴伦结构,且对天线的外导体、巴伦结构、电连接器进行一体化设计。天线的4根螺旋臂的两端分别连接在一体化外导体的馈电端和非馈电端,巴伦结构仅产生天线所需的90°相位差,4根螺旋臂仅产生天线所需的方向图,从而降低了四臂螺旋天线的设计和调试难度。测试结果表明,天线实现了较好的宽波束圆极化特性。

一种新型小型化导航四臂螺旋天线

四臂螺旋天线具有良好的圆极化辐射方向图,良好的低仰角增益,且具有结构简单紧凑的优点,在通信、导航等领域具有广泛的应用。针对传统四臂螺旋天线一般由金属线绕制而成,或者通过柔性基板印制后卷成圆柱形或者圆锥形所带来的复杂工艺问题,本文采用3D打印实现了一款轻量化小型化的介质镂空型圆极化四臂螺旋天线。天线采用多馈点设计,保证天线相位中心和几何中心的重合,测试结果表明在1.59 GHz的轴比小于1.5 dB,增益为1.68 dBi。该四臂螺旋天线具有潜在的实际应用价值。

平面螺旋天线小型化研究

由于在超宽频带范围内具有良好的圆极化特性,平面螺旋天线在现代通信领域的应用越来越广泛,但是其在低频工作时的大尺寸决定平面螺旋天线在未来的应用中必须实现小型化。平面螺旋天线的小型化分为口径面积的小型化和剖面的小型化。本文归纳总结了前人在平面螺旋天线小型化方面的方式方法与我们在这方面的创新研究。口径面积的小型化方面,设计了正弦波曲折臂阿基米德螺旋天线、复合式平面螺旋天线及自补特性不变的臂宽渐削式阿基米德螺旋天线,分别获得63.6%、73.2%和73.1%的口径面积小型化。在剖面小型化方面,从一个全新的角度出发,解决了平面螺旋天线低剖面设计中面临的馈线长度问题,设计了低输入阻抗的平面螺旋结构及其相应的小型化结构,这两种结构在端口阻抗设为75Ω和50Ω时可获得较好的宽带匹配,它们的剖面深度分别是各自最大工作波长的15%和2.7%。

机载螺旋天线辐射特性的研究

本文用螺旋的半圆近似法计算了阿基米德螺旋天线的辐射场。应用几何绕射理论(GTD)导出了机载螺旋天线辐射场的计算公式。计算结果与实测结果进行了比较,两者吻合较好。

导体板上的法向模螺旋天线的研究

一种新型低姿态磁流天线的设计方法，实验性的测定了位于导体板上法向模螺旋天线的电流相位常数。当螺旋线与导体板间的绝缘层为０．１ｍｍ时，沿螺旋线导线的波长几乎就等于自由空间的波长，这些测试结果可作为同相磁流激励螺旋天线的指导性设计资料。另外如果把螺旋天线置于导体槽内，则其辐射功率和方向图与导体板上的几乎是一致的。

超宽带缝隙螺旋天线仿真与教学应用研究

改革微波技术与天线实验课程实验教学模式,采用全波电磁仿真软件,设计和仿真了超宽带缝隙结构的平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线。设计的两种天线都采用同轴电缆直接馈电的方式,结构简单,易于实现。优化和仿真结果表明,在0.4~2GHz的频率范围内,这两种天线的输入电压驻波比小于2,方向图和增益等指标均达到了设计要求,适合于实际应用。仿真结果展示了全波电磁仿真软件的应用效果。

局部放电检测高增益柔性馈电立体螺旋天线的设计与应用

局部放电(partial discharge,PD)检测天线在检测方向上应保持高增益,以改善灵敏度和信噪比。由于适配的功分网络截面积大,因此高增益立体螺旋天线尚未运用于局部放电检测领域。以单臂螺旋天线和四臂螺旋天线作为研究对象,通过仿真确定天线优化区间,并以带宽、增益作为目标,基于粒子群优化算法优化结构参数,以提高检测灵敏度,保持定向高增益;设计适配的柔性功分馈电网络,以减小天线体积、提高信噪比;通过局放测试检验设计的高增益立体螺旋天线的性能,并与商用平面等角螺旋天线比较。研究结果表明:优化后的单臂螺旋天线具有多频段检测特点,结构简单,占用空间小;通过柔性功分网络加载的四臂螺旋天线在0.5~2.0GHz频段的增益均>5.0 dB,主谐振点1.02 GHz处的增益达到了6.37 dB,整体横截面直径缩小至60 mm,测试信噪比优于平面等角螺旋天线。与传统局放检测天线相比,设计的高增益柔性馈电立体螺旋天线能在特高频范围的低频段保持高增益,并在各谐振频率保持轴向检测特性。

检测GIS局部放电的小型化平面螺旋天线研究

为满足超高频检测法对天线小型化、宽频带的设计要求,设计了一种用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)局部放电检测的小型化平面螺旋天线。该天线是在传统阿基米德螺旋天线的基础上进行正弦波曲折化处理后,来达到小型化的目的。天线的测试结果显示在920 MHz^3 GHz频带范围内电压驻波比(VSWR)<2。天线结构简单,尺寸较小,口径为97 mm,剖面高度为51 mm;具有超宽带的特性,在工作频段内方向性良好,能够实现全向辐射。最后,在实验室搭建了测试平台,将天线和外置超高频传感器进行了局放测量效果的对比,结果表明,所设计的天线特性良好,可用于GIS局部放电检测。

具有紧凑馈电网络的宽带四臂螺旋天线

传统的自相移馈电四臂螺旋天线(QHA)由于最小回波损耗频点和最小轴比频点不在一个频率上,因此,难以在较宽的频带内同时满足良好的阻抗匹配和圆极化特性.虽然采用功分相移网络馈电可以解决上述问题,但是馈电网络尺寸普遍较大,难以应用于手持机上.本文提出了一种底部带有紧凑的功分相移馈电网络的四臂螺旋天线,可以在宽频带内实现四个输出端功率平衡输出,相位两两相差90度.所提出的馈电网络使得四臂螺旋天线既可以实现宽带圆极化辐射,又具有小尺寸,非常适合GPS、北斗移动手持设备的应用需求.

加载螺旋天线的优化设计

采用螺旋式结构以及加载的方法可以使天线小型化和宽带化.研究了遗传算法和矩量法相结合的方法来快速优化设计宽带小型化加载法向模螺旋天线.采用基于曲线基函数和检验函数的矩量法来快速精确分析法向模螺旋天线,然后结合遗传算法对加载法向模螺旋天线上的加载集总元件的值、加载位置以及匹配网络参数进行一体化优化设计,并采用Sherman Morrison Woodbury公式来快速求解加载元件值和加载位置改变后的阻抗矩阵方程,提高了优化设计的效率.