諧振式四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)分析

1、僅供個人參考諧振式四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)與分析黃麗玉84（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876）摘要 本文首先介紹四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)組成、工作原理，然后針對衛(wèi)星通信中天線方向圖的圓極化寬波束需求，利用三維電磁仿真軟件 CST Microwave Studio 對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真， 實(shí)現(xiàn)了一種四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)和仿真。該天線通過無限巴倫實(shí)現(xiàn)平衡饋電，并利用四臂螺旋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)造了90°自相移結(jié)構(gòu)，獲得了較好的圓極化特性， 得到了 1.5181-2.0073GHz的頻率范圍，相對帶寬為 30.77% ,半功率波瓣寬度達(dá)到 152.6° ,具有良好的寬波束特性，對 同類

2、天線的設(shè)計(jì)和小型化具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵字 四臂螺旋天線；寬波束；無限巴倫For personal use only in study and research; not for commercial use1引言四臂螺旋天線由于具有較寬的圓極化輻射波束，可以在較低的仰角位置上保持較高的增益，通過調(diào)節(jié)其物理尺寸可以方便地得到不同的輻射方向圖，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、 無需參考地等優(yōu)點(diǎn)，在GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。Kilgus于上世紀(jì)六七十年代提出了四臂螺旋天線1,這種天線是由四根饋電電流幅度相等、相位依次相差90。的螺旋線組成的諧振式輻射結(jié)構(gòu)。幅度相位通過平衡饋電

3、結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，常采用U型管、入/4開槽同軸線2,但當(dāng)工作頻段較低時(shí)，這些結(jié)構(gòu)尺寸較大，90°相移實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。文獻(xiàn) 3采用了饋電網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)四臂螺旋的90。相移，但是當(dāng)工作頻段較低時(shí)，饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸較大，受到參考地尺寸的嚴(yán)重制約。文獻(xiàn)4采用在饋電處并聯(lián)電纜的方法，通過調(diào)整電纜長度來實(shí)現(xiàn)90。相移，但由于天線的相移頻率和電纜的相移頻率不重合，增加了調(diào)試的復(fù)雜度。本文天線采用無限巴倫和90。自相移結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了圓極化寬波束。無限巴倫無需另加饋電結(jié)構(gòu)，利用同軸電纜自身的外皮和內(nèi)芯電流幅度相等、相位相差180。的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)四臂的平衡饋電；90。自相移通過調(diào)節(jié)螺旋線的自身長度來實(shí)現(xiàn)，天線尺寸不受限

4、制， 結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)在低頻段衛(wèi) 星通信中有很大優(yōu)勢。2四臂螺旋天線理論和設(shè)計(jì)2.1 四臂螺旋天線的理論分析Kilgus提出的四臂螺旋天線如圖1所示，為諧振型天線。該天線由四根螺旋臂組成，每根螺旋臂長度為MK/4 （M為整數(shù)），四根螺旋臂饋電端電流相等，相位兩兩相差 90（分另1J為0° , 90° ,180°和270。）；四個螺旋臂一般繞成N/4圈（N = 1, 2, 3），非饋電端開路（M為奇數(shù)時(shí)）或短路（M為偶數(shù)時(shí)）。四臂螺旋天線也可以看作是由兩個等幅正交饋電的雙臂螺旋天線組成。本文所設(shè)計(jì)的天線 是在頂部饋電，底部短路。天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由以下 （1

5、）式確定5：Lax =N ,（1/ N2）（Lele二Ar。）2二4二2r。2（1）式中：Lax為螺旋的軸向長度（mm）, Le為螺旋臂的長度（mm）, r0為螺旋的半徑（mm）, N為 螺旋的圈數(shù)。A=1 （M為奇數(shù)時(shí)），A=2 （M為偶數(shù)）。* d *圖1諧振式四臂螺旋天線設(shè)計(jì)四臂螺旋天線時(shí)，要確定其軸向長度、螺旋半徑和螺旋線上升角，從而得到預(yù)期的天線增益、 方向性和輸入阻抗。諧振的1/4圈、1/2圈和1圈的四臂螺旋天線在任何軸長和直徑下，能夠產(chǎn)生心形方向圖。用環(huán)-偶極子模型3可以對該天線工作原理進(jìn)行理論分析。四臂螺旋天線可以看作由兩個雙 臂螺旋天線構(gòu)成，它們之間旋轉(zhuǎn)90。且正交饋電。對于

6、一個雙臂螺旋天線來說，當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時(shí)，臂上的電流幅度接近正弦分布，其中最大值位于饋電點(diǎn)和短路點(diǎn)，零點(diǎn)位于螺旋臂中部， 若將每條螺旋臂簡化成直線和半圓， 則得到雙臂螺旋的簡化模型如圖2所示。這里選擇螺旋中心為原點(diǎn)， 軸為z軸，頂面和底面上天線臂方向?yàn)閥軸來建立坐標(biāo)系，顯然該模型可進(jìn)一步簡化為如圖3所示的一個YZ平面上的電流環(huán)和一個 x軸上的電偶極子的組合。同樣，另一付雙臂螺旋天線亦可以等效成另一 個環(huán)-偶極子組合。根據(jù)天線的疊加原理， 由于這兩組環(huán)-偶極子互相垂直且相位差 90。，那么在遠(yuǎn)區(qū)得 到的是一個寬波束的心型的圓極化方向圖。不得用于商業(yè)用途圖2雙臂螺旋天線簡化模型圖3雙臂螺旋天線環(huán)

7、-偶極子模型2.2 90°自相移結(jié)構(gòu)和平衡饋電結(jié)構(gòu)四臂螺旋天線的關(guān)鍵問題是實(shí)現(xiàn)四臂等幅且依次相差90。饋電，可以使用移相網(wǎng)絡(luò)分別給每條臂饋電，但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且損耗大。另一種方法是采用同軸電纜經(jīng)軸心在頂部進(jìn)行饋電,由于同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體電流反向，因此可實(shí)現(xiàn)雙臂螺旋的等幅反向饋電，而兩個雙臂螺旋之間的90°相移可通過自相移結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)1,即兩個雙臂螺旋的長度有一定差別，其中一個比諧振時(shí)的長度稍長，產(chǎn)生一個相對于諧振時(shí)有-45。相移的輸入阻抗，另一個比諧振時(shí)的稍短， 產(chǎn)生一個相對于諧振時(shí)有+ 45。相移的輸入阻抗，這樣，兩個雙臂螺旋就實(shí)現(xiàn)了相位差90。為實(shí)現(xiàn)同軸電纜到天線臂的平衡饋

8、電，可采用套筒扼流巴倫、縫隙對稱巴倫等多種巴倫結(jié)構(gòu)。本文采用一種結(jié)構(gòu)輕便的無限巴倫，如圖4所示，天線的四臂均用同軸電纜。將同軸電纜內(nèi)芯與電纜3的外皮連接，再將電纜 1的外皮與電纜 2的外皮連接，最后將電纜3的外皮和電纜 4的外皮連接。由于同軸電纜外皮和內(nèi)芯的電流幅度相等、方向相反，所以螺旋四臂上的電流相等。2圖4平衡饋電結(jié)構(gòu)示意圖2.3 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真本文利用CST STUDIO SUITE 2010對其進(jìn)行建模和全波仿真模型圖如下圖5所示。該天線設(shè)計(jì)每個臂繞一圈，工作在GPS頻段，中心頻率為1.56G,臂長為20mm,近似一個波長。天線軸長為105mm,螺旋線直徑為4mm。天線垂直架設(shè)

9、在一個直徑 120mm的圓形平板中心上方 18mm處。該天線為右旋極化天線。圖5四臂螺旋天線模型1、駐波和阻抗特性如圖6所示，天線的 S1小于-10dB的頻率范圍在1.5181-2.0073GHz之間，相對帶寬大約為30.77%。圖6天線駐波圖2、天線輻射特性的分析如圖7所示天線的極化增益達(dá)到4.2dB,半功率波瓣寬度達(dá)到152.6° ,具有良好的寬波束特性。天線的軸比特性如圖 8所示，在±80。范圍內(nèi)小于3dB,體現(xiàn)了良好的右旋圓極化特性。Gain Abs (Phi=90)Afield (f=01,5800) 10-120Theta / Degree vs. dBFreq

10、uency = 1.58Main lobe magnitude = 4.2 dBMain lobe direction = -35.0 deg.Angular width (3 dB) = 152,6 deg.圖7 Phi=90歸一化輻射方向圖farfield (f=01 5600) 1Frequency = 1,56Main lobe magnitude = 37.3 dB該天線的方向圖有些微的偏差，原因可能為四個臂的饋電相位差不是很準(zhǔn)確，將為下一步本文的研 究工作。4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種寬波束的四臂螺旋天線，運(yùn)用無限巴倫實(shí)現(xiàn)平衡饋電，通過改變螺旋臂的長度實(shí)現(xiàn)90°相移，從而實(shí)現(xiàn)圓極

11、化。得到了頻率范圍在 1.5181-2.0073GHz之間，相對帶寬大約為30.77%,并且極化增益達(dá)到4.2dB,半功率波瓣寬度達(dá)到152.60 ,具有良好的寬波束特性。仿真表明，天線保持一定的軸長與直徑之比就可實(shí)現(xiàn)寬波束方向圖。不同的螺旋旋的軸向長度對方向圖的影響較大，僅供個人參考向，可得到不同的圓極化方式。參考文獻(xiàn)1 Kilgus C C. Resonant Quadrifilar Helix Antenna J. The Microwave Journal,1970:49-54.2葉云裳，楊小勇.一種星載 GPS接收天線J.中國空間科學(xué)技術(shù)，2001, 21(3): 12-15, 46

12、.3 Adams A T. The Quadrifilar Helix AntennaJ.IEEE Tran-scations on Antennas and Propagation, 1974, 22 (2) ： 173-178.4 王家勇，王昌復(fù)，梁旭文，等.低軌道小衛(wèi)星通信中諧振式四臂螺旋天線的應(yīng)用研究J. 電子學(xué)報(bào)，2002， 30 (12)：1865-1866.5 Tranquilla J M, Best S R. A study of the quadrifilar helix antenna for globalpositioning systems(GPS) applications J. Antennas Propagation, 1990, 38(10): 1545 1550.不得用于商業(yè)用途僅供個人參考僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' etude et la recherch