一、引 言
圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)" title="對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)">對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)是一類(lèi)非頻變天線(xiàn).這類(lèi)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊,便于實(shí)現(xiàn),常用作要求在寬頻帶內(nèi)具有圓極化,全向輻射方向圖的衛(wèi)星通信天線(xiàn).本文利用曲線(xiàn)段三角基展開(kāi),伽略金法檢驗(yàn)的矩量法" title="矩量法">矩量法來(lái)分析雙臂圓錐" title="雙臂圓錐">雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn).一般情況下利用直線(xiàn)段展開(kāi),伽略金法檢驗(yàn)的矩量法來(lái)分析等角螺旋天線(xiàn)、阿基米德螺旋天線(xiàn)等這些具有高度曲線(xiàn)性的天線(xiàn)需要分許多段,這是由于需要用大量直線(xiàn)段來(lái)擬合曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速變化.但是用于擬合的直線(xiàn)段數(shù)目已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了用于精確表示線(xiàn)上電流的小段數(shù)目.本文采用由二次曲線(xiàn)確定的曲線(xiàn)段上的分域線(xiàn)性展開(kāi)函數(shù)——曲線(xiàn)段三角基,既能準(zhǔn)確描述天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、又能精確表示和迅速準(zhǔn)確計(jì)算天線(xiàn)線(xiàn)上電流.
對(duì)任何選定的圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn),參數(shù)θ0,α,δ確定.同時(shí)決定天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的還有Rmin,Rmax以及臂數(shù).雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示:θ0—圓錐角;α—螺旋升角;d—圓錐截頂直徑;D—圓錐截底直徑;h—圓錐高;ρ0—從原點(diǎn)到截錐頂螺旋截面的矢徑;ρ1,ρ2—從原點(diǎn)到對(duì)數(shù)螺旋擴(kuò)展臂兩邊緣的矢徑.
圖1 雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)的主要參數(shù)及坐標(biāo)系統(tǒng)
二、曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗(yàn)的矩量法
利用曲線(xiàn)三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗(yàn)矩量法求解線(xiàn)天線(xiàn)的過(guò)程歸結(jié)為求下列矩陣方程組的解[1]
[Z][I]=[V]
[I]=[I1,I2,…,IN]TN為電流矩陣,表示線(xiàn)上電流.[V]=[V1,V2,…,VN]TN為激勵(lì)矩陣,[Z]=[Zmn]N×N為阻抗矩陣.矩陣的詳細(xì)表示式以及曲線(xiàn)三角基展開(kāi)中有關(guān)矢量的表示式見(jiàn)文獻(xiàn)[2].
三、雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)的矩量解
矩量法分析雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)(當(dāng)然也適用于其它曲線(xiàn)型天線(xiàn)),一般分為三個(gè)步驟:
(1)描述天線(xiàn)結(jié)構(gòu),形成一種適合應(yīng)用矩量法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)雙臂的曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn)(平面,錐形的等角或阿基米德螺旋天線(xiàn)或圓柱螺旋天線(xiàn)等),一般將兩臂分為2N+1段,每臂分為N段,中間一段加激勵(lì)電壓源.這樣分段能夠利用天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,減少一半數(shù)組元素的計(jì)算,從而大大減少阻抗矩陣形成時(shí)間和求逆時(shí)間,計(jì)算的精度,速度有很大提高.分段方法如下(舉例為一臂分三段):這里要注意:①三角基在天線(xiàn)兩端點(diǎn)處為0,這是為了符合天線(xiàn)臂兩端點(diǎn)處電流為0的條件.②曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)要求每小段再分兩段,因此一臂分段數(shù)為2N+2,兩臂共分4N+4段.③必須在每點(diǎn)處都求得矢徑,這樣才能計(jì)算出各種矢量,要將每點(diǎn)處矢徑的分量順序排列形成(4N+5)×3階二維數(shù)組.
圖2
(2)按照曲線(xiàn)段三角基展開(kāi),GALERKIN法檢驗(yàn)的矩量法求解阻抗矩陣,并按中心對(duì)稱(chēng)矩陣" title="中心對(duì)稱(chēng)矩陣">中心對(duì)稱(chēng)矩陣的性質(zhì)簡(jiǎn)化運(yùn)算,詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2].
(3)解阻抗矩陣(求逆)并與外加電壓矩陣作用,求出線(xiàn)上電流,進(jìn)而求得天線(xiàn)方向圖以及增益等參數(shù).在第二步求解數(shù)組元素時(shí),要做雙重積分.實(shí)際求解時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[3]只用兩點(diǎn)高斯積分計(jì)算一次即可得到較好結(jié)果,不用進(jìn)行精度判斷,節(jié)省了大量時(shí)間.
四、計(jì)算結(jié)果
1.利用本文的程序計(jì)算平面阿基米德螺旋天線(xiàn)
平面阿基米德螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示,工作頻率300MHz,臂長(zhǎng)12m臂半徑0.001m螺旋常數(shù)0.02.計(jì)算平面阿基米德螺旋天線(xiàn)并將結(jié)果和參考文獻(xiàn)[3]進(jìn)行對(duì)比可以得出結(jié)論:本文的計(jì)算程序適合計(jì)算曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn),計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的值吻合良好,具有足夠的精度.
圖3 (a)平面阿基米德螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu);(b)天線(xiàn)電流分布;(c)天線(xiàn)方向圖;(d)天線(xiàn)軸比
2.利用本文的程序計(jì)算雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)及實(shí)驗(yàn)相比
工作頻率225~400MHz,臂半徑0.0025m,圓錐截底直徑0.42m,圓錐截底直徑0.01m半錐角19度,螺旋升角60度.
本文計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合,見(jiàn)表1.
3.利用本文的程序計(jì)算平面對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)
圖4 (a)平面對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu);(b)天線(xiàn)電流分布;(c)天線(xiàn)軸比;(d)天線(xiàn)方向圖
五、結(jié) 論
本文論述的曲線(xiàn)段三角基展開(kāi),伽略金法檢驗(yàn)的矩量法適用于分析曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn).包括平面阿基米德螺旋天線(xiàn),平面對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn),圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)等.計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)對(duì)比,吻合良好.同時(shí)計(jì)算速度很快.證明了這種方法的正確性和高效性.它的優(yōu)點(diǎn)主要有:
(1)適用范圍廣.適用于圓錐螺旋天線(xiàn)及它的退化形式——平面螺旋天線(xiàn)及圓柱螺旋天線(xiàn).對(duì)于其他形式的雙臂曲線(xiàn)型天線(xiàn)也同樣適用.
(2)在保證精確擬合天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及描述線(xiàn)上電流的前提下,天線(xiàn)分段數(shù)目少,同時(shí)利用中心對(duì)稱(chēng)矩陣的性質(zhì),所需計(jì)算的阻抗矩陣數(shù)組元素?cái)?shù)目大大減少.大幅度減少計(jì)算量.
(3)計(jì)算阻抗矩陣數(shù)組元素時(shí)采用收斂快、精度高的高斯積分,僅用兩點(diǎn)積分計(jì)算一次,就能達(dá)到精度要求.速度成倍提高.