小型化螺旋圆极化天线研究+Ansoft HFSS建模仿真(3)
2．4 北斗卫星定位系统
我国建立了“北斗”卫星定位系统，是区域导航定位系统，它的覆盖面不是全球而是我国本土。北斗系统由北斗定位卫星系统组。地面控制中心为主的地面部分及北斗用户终端设备三大部分组成。卫星系统包含四颗北斗定位卫星，其中工作卫星两颗、备用卫星两颗。系统的工作频率在2491.75MHz，可向用户提供二十四小时全天候即使定位服务。北斗卫星定位系统所采用的是“双星定位”原理：系统首先得出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离的和，从而知道用户处于以第一颗卫星为球心的一个球面上，同时还处于以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上，从而得到用户的二文坐标。另外控制中心通过已经存储的数字化地形图查寻到用户高度值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上，从而最终计算出用户所在点的三文坐标。北斗系统还具有其他卫星定位系统所不具备的通信功能。北斗导航定位系统可以广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。另外，由于北斗系统完全由我国自主研发，具有良好的保密性，所以特别适合军队、公安、海关等特殊部门使用。目前，我国正在积极发展北斗二代卫星定位系统。
3 圆极化波
四臂螺旋天线是圆极化天线，主要应用的就是圆极化波[2].沿Z方向传播的均匀平面波，假设E=exExcos(ωt-kz+Ф).任何时刻，此波的电场强度矢量E的方向始终都保持在x的方向。一般情况下，沿z方向传播的均匀平面波的Ex和Ey分量都存在，可表示为：
Ex=Exmcos(ωt-kz+Фx)
Ey=Eymcos(ωt-kz+Фy)
合成波电场E=exEx+eyEy。由于Ex和Ey分量的振幅和相位不一定相同，因此，在空间任意给定点上，合成波电场强度矢量E的大小和方向都可能会随时间变化，这种现象成为电磁波的极化。
电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上的电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。若该轨迹是直线，则称之为直线极化；若轨迹是圆，则称为圆极化，若轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。
若电场是x分量和y分量的振幅相等、但相位差为π/2，即Exm=Eym=Em、Φy-Φx=±π/2时，则合成波为圆极化波。当Φy-Φx=±π/2时，可得：
Ex=Emcos(ωt-kz+Фx)
Ey=Emcos(ωt-kz+Фx+π/2)=- Emsin(ωt-kz+Фx)
故合成波电场强度的大小为：
E=Em=const
合成波电场与x轴的夹角为：
α=arctan(Ey/Ex)=-(ωt+Фx)
由此可见，合成波电场的大小不随时间改变，但方向却随时间变化，其端点轨迹在一个圆上并以角速度ω旋转，故称为圆极化波。当时间t的值逐渐增加时，若电场E的端点沿顺时针方向旋转，称为左旋圆极化波；若按照逆时针方向旋转，称为右旋圆极化波。
图3.1 电场矢量分解
在很多情况下，系统须利用圆极化波才能进行正常工作，例如火箭等飞行器在飞行过程中其状态和位置在不断变化地改变，因此火箭上的天线方位也在不断地改变，此时如果用线极化的信号来遥控，在某些情况下会出现火箭上的天线收不到地面控制信号而失控。在卫星通信系统中，卫星上的天线和地面站的天线均采用了圆极化天线。在电子对抗系统中，大多也采用圆极化天线进行工作。
4 螺旋天线
4．1 单绕螺旋天线原理
螺旋天线[3]的辐射能力是美国科学家JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种吹冰臂螺旋天线。众所周知，天线的性能和自由空间的工作波长是相关的，也就是说，若减小天线尺寸，会导致天线某些性能的恶化。理论上天线尺寸越小，它的工作带宽越窄。近年来，一些学者研究采用了加载法向模螺旋天线来实现天线的小型化和宽带化。