谐振式四臂螺旋天线的设计分析

1、仅供个人参考谐振式四臂螺旋天线的设计与分析黄丽玉84（北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876）摘要 本文首先介绍四臂螺旋天线结构组成、工作原理，然后针对卫星通信中天线方向图的圆极化宽波束需求，利用三维电磁仿真软件 CST Microwave Studio 对该结构进行优化仿真， 实现了一种四臂螺旋天线的设计和仿真。该天线通过无限巴伦实现平衡馈电，并利用四臂螺旋自身的结构特点构造了90°自相移结构，获得了较好的圆极化特性， 得到了 1.5181-2.0073GHz的频率范围，相对带宽为 30.77% ,半功率波瓣宽度达到 152.6° ,具有良好的宽波束特性，对 同类

2、天线的设计和小型化具有一定的参考价值。关键字 四臂螺旋天线；宽波束；无限巴伦For personal use only in study and research; not for commercial use1引言四臂螺旋天线由于具有较宽的圆极化辐射波束，可以在较低的仰角位置上保持较高的增益，通过调节其物理尺寸可以方便地得到不同的辐射方向图，且具有结构紧凑、体积小、重量轻、 无需参考地等优点，在GPS、北斗等卫星导航系统中得到了广泛的应用。Kilgus于上世纪六七十年代提出了四臂螺旋天线1,这种天线是由四根馈电电流幅度相等、相位依次相差90。的螺旋线组成的谐振式辐射结构。幅度相位通过平衡馈电

3、结构来实现，常采用U型管、入/4开槽同轴线2,但当工作频段较低时，这些结构尺寸较大，90°相移实现起来较为复杂。文献 3采用了馈电网络来实现四臂螺旋的90。相移，但是当工作频段较低时，馈电网络尺寸较大，受到参考地尺寸的严重制约。文献4采用在馈电处并联电缆的方法，通过调整电缆长度来实现90。相移，但由于天线的相移频率和电缆的相移频率不重合，增加了调试的复杂度。本文天线采用无限巴伦和90。自相移结构，实现了圆极化宽波束。无限巴伦无需另加馈电结构，利用同轴电缆自身的外皮和内芯电流幅度相等、相位相差180。的特点，实现四臂的平衡馈电；90。自相移通过调节螺旋线的自身长度来实现，天线尺寸不受限

4、制， 结构简单、易实现。这种结构在低频段卫 星通信中有很大优势。2四臂螺旋天线理论和设计2.1 四臂螺旋天线的理论分析Kilgus提出的四臂螺旋天线如图1所示，为谐振型天线。该天线由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂长度为MK/4 （M为整数），四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差 90（分另1J为0° , 90° ,180°和270。）；四个螺旋臂一般绕成N/4圈（N = 1, 2, 3），非馈电端开路（M为奇数时）或短路（M为偶数时）。四臂螺旋天线也可以看作是由两个等幅正交馈电的双臂螺旋天线组成。本文所设计的天线 是在顶部馈电，底部短路。天线的结构参数可由以下 （1

5、）式确定5：Lax =N ,（1/ N2）（Lele二Ar。）2二4二2r。2（1）式中：Lax为螺旋的轴向长度（mm）, Le为螺旋臂的长度（mm）, r0为螺旋的半径（mm）, N为 螺旋的圈数。A=1 （M为奇数时），A=2 （M为偶数）。* d *图1谐振式四臂螺旋天线设计四臂螺旋天线时，要确定其轴向长度、螺旋半径和螺旋线上升角，从而得到预期的天线增益、 方向性和输入阻抗。谐振的1/4圈、1/2圈和1圈的四臂螺旋天线在任何轴长和直径下，能够产生心形方向图。用环-偶极子模型3可以对该天线工作原理进行理论分析。四臂螺旋天线可以看作由两个双 臂螺旋天线构成，它们之间旋转90。且正交馈电。对于

6、一个双臂螺旋天线来说，当天线处于谐振状态时，臂上的电流幅度接近正弦分布，其中最大值位于馈电点和短路点，零点位于螺旋臂中部， 若将每条螺旋臂简化成直线和半圆， 则得到双臂螺旋的简化模型如图2所示。这里选择螺旋中心为原点， 轴为z轴，顶面和底面上天线臂方向为y轴来建立坐标系，显然该模型可进一步简化为如图3所示的一个YZ平面上的电流环和一个 x轴上的电偶极子的组合。同样，另一付双臂螺旋天线亦可以等效成另一 个环-偶极子组合。根据天线的叠加原理， 由于这两组环-偶极子互相垂直且相位差 90。，那么在远区得 到的是一个宽波束的心型的圆极化方向图。不得用于商业用途图2双臂螺旋天线简化模型图3双臂螺旋天线环

7、-偶极子模型2.2 90°自相移结构和平衡馈电结构四臂螺旋天线的关键问题是实现四臂等幅且依次相差90。馈电，可以使用移相网络分别给每条臂馈电，但这种结构较复杂且损耗大。另一种方法是采用同轴电缆经轴心在顶部进行馈电,由于同轴电缆内外导体电流反向，因此可实现双臂螺旋的等幅反向馈电，而两个双臂螺旋之间的90°相移可通过自相移结构来实现1,即两个双臂螺旋的长度有一定差别，其中一个比谐振时的长度稍长，产生一个相对于谐振时有-45。相移的输入阻抗，另一个比谐振时的稍短， 产生一个相对于谐振时有+ 45。相移的输入阻抗，这样，两个双臂螺旋就实现了相位差90。为实现同轴电缆到天线臂的平衡馈

8、电，可采用套筒扼流巴伦、缝隙对称巴伦等多种巴伦结构。本文采用一种结构轻便的无限巴伦，如图4所示，天线的四臂均用同轴电缆。将同轴电缆内芯与电缆3的外皮连接，再将电缆 1的外皮与电缆 2的外皮连接，最后将电缆3的外皮和电缆 4的外皮连接。由于同轴电缆外皮和内芯的电流幅度相等、方向相反，所以螺旋四臂上的电流相等。2图4平衡馈电结构示意图2.3 天线的结构设计与仿真本文利用CST STUDIO SUITE 2010对其进行建模和全波仿真模型图如下图5所示。该天线设计每个臂绕一圈，工作在GPS频段，中心频率为1.56G,臂长为20mm,近似一个波长。天线轴长为105mm,螺旋线直径为4mm。天线垂直架设

9、在一个直径 120mm的圆形平板中心上方 18mm处。该天线为右旋极化天线。图5四臂螺旋天线模型1、驻波和阻抗特性如图6所示，天线的 S1小于-10dB的频率范围在1.5181-2.0073GHz之间，相对带宽大约为30.77%。图6天线驻波图2、天线辐射特性的分析如图7所示天线的极化增益达到4.2dB,半功率波瓣宽度达到152.6° ,具有良好的宽波束特性。天线的轴比特性如图 8所示，在±80。范围内小于3dB,体现了良好的右旋圆极化特性。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.图7 Phi=90归一化辐射方向图farfield (f=01 5600) 1Frequency = 1,56Main lobe magnitude = 37.3 dB该天线的方向图有些微的偏差，原因可能为四个臂的馈电相位差不是很准确，将为下一步本文的研 究工作。4结论本文设计了一种宽波束的四臂螺旋天线，运用无限巴伦实现平衡馈电，通过改变螺旋臂的长度实现90°相移，从而实现圆极

11、化。得到了频率范围在 1.5181-2.0073GHz之间，相对带宽大约为30.77%,并且极化增益达到4.2dB,半功率波瓣宽度达到152.60 ,具有良好的宽波束特性。仿真表明，天线保持一定的轴长与直径之比就可实现宽波束方向图。不同的螺旋旋的轴向长度对方向图的影响较大，仅供个人参考向，可得到不同的圆极化方式。参考文献1 Kilgus C C. Resonant Quadrifilar Helix Antenna J. The Microwave Journal,1970:49-54.2叶云裳，杨小勇.一种星载 GPS接收天线J.中国空间科学技术，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，王昌复，梁旭文，等.低轨道小卫星通信中谐振式四臂螺旋天线的应用研究J. 电子学报，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.不得用于商业用途仅供个人参考仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途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