环形天线[环形天线]

概述

卫星技术的不断发展，需要更大口径的天线进行微弱信号的收集和传递。受限于运载装置，天线越来越多应用于通信卫星、对地观测卫星、微波遥感、深空探测器等航天器中。星载可展开天线一般分为板式可展开、充气式可展开、自回弹式可展开及网状可展开天线。其中，网状可展开天线由于收纳比高、面密度低的优点而成为研究热点。

星载网状天线一般包括缠绕肋展开天线、伞状展开天线、环形展开天线、构架式可展开天线和模块式可展开天线。其中，环形可展开天线以其优越的性能在卫星通信、对地观测等方面得到了成功的应用，其能够实现 6 ～ 150m 口径的可展开天线，且随着天线口径的增大，天线质量不会成比例增加，是目前大型星载可展开天线的理想结构形式。

环形天线一般由周边展开桁架和索网系统组成，是指展开桁架结构位于周边，中心及径向全部由索网系统组成的星载天线。环形天线周边展开桁架一般为多边形结构，通过多边形结构周期性重复相互连接形成一个封闭的“环”状结构。周边展开桁架的展开形式决定了环形天线的展开形式，目前已经有多种展开形式的环形天线开始了研究工作。

分类

根据环形天线的周长L相对与波长λ的大小，环形天线可分为电大环（L≥λ）、中等环（λ/4≤L≤λ）和电小环（L<λ/4）三类。

性质特点

环形天线的终端负载阻抗可以为零，也可以等于环的特性阻抗，其上的电流分布和平行传输线类似。电小环上的电流近似按等幅同相分布。电大环上电流为驻波分布。当端接负载的阻抗等于环的特性阻抗时，环上的电流为行波分布。

依据电磁辐射的二重性原理，电小环和垂直于环面放置的小电偶极天线的辐射场除将电和磁的量互换外都是类似的，即在环面的平面上方向图是圆，环轴所在平面上方向图是8字形,沿环轴方向的辐射为零。

环可以是空心的或磁芯的；单匝的或多匝的。理论和实验证明，辐射场与环的面积、匝数和环上的电流成正比，与工作波长的平方和距离成反比；与环的形状关系不大。

原理

环直径增大时，电流按驻波分布，最常用的是周长为一个工作波长的环，环的形状除圆形外有矩形、菱形和三角形等。在一边中点馈电的方环,垂直于环面的方向上辐射最强,在此方向上场的极化平行于含馈电点的环边，在沿含馈电点环边轴线方向辐射为零，谐振时输入阻抗约为 100欧，增益约为3.09分贝。其他形状的环形天线与此类似。这种环常用以组成超短波天线阵，如构成双环或四环形电视天线和环形八木天线等。

载行波的加载环的方向图为心脏形，在由负载指向馈电点方向上接收最强,输入阻抗等于环的特性阻抗(一般设计为300欧)，可用作电视接收天线。

应用

环形天线由于其收拢体积小，适用于大口径及超大口径天线，成为国内外研究和应用的重点。通过对环形天线结构展开形式的研究发现，研究目标主要集中在两个方面： ①是如何通过缩小环形天线的收拢体积提高其展开口径； ②是如何通过提高展开桁架的刚度提高环形天线的型面精度稳定性。

实现提高环形天线展开口径和型面精度稳定性两方面目标的主要技术途径是：①Astromesh 系列环形天线、EGS 环形天线、Harris 环形天线等是改变周期性重复的多边形单元的展开/收拢形式； ②上下两层展开桁架、内外两层展开桁架以及锥形桁架等环形天线是改变多边形单元的周期性重复方式。

目前，已经有多个环形天线进入应用阶段，但市场主要由美国 Northrop Grumman 公司 Astromesh 系列环形天线和 Harris 公司环形天线垄断。对环形天线结构的发展开可以通过对现有环形天线的借鉴和创新，进行环形天线的开发和应用，促进卫星有效载荷的发展，满足移动通信、微波遥感、对地观测、深孔探测等应用需求。

电小环天线是实际中应用最多的，如收音机中的天线、便携式电台接受天线、无线电导航定位天线、场强计的探头天线等。电大环天线主要用作定向阵列天线的单元。