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1、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 同类天线的设计和小型化具有一定的参考价值。关键
2、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结构来实现，常采用U型管、久/4 开
3、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，天线尺寸不受限制，结构简单、易实现。这种结构在低频段
4、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M九/4 （M为整数），四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90（分别为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）式确定 5：(1)式中：L为螺旋的轴向长度（mm）, L为螺旋臂的长度（mm
5、）, r为螺旋的半径（mm）, N为ax ele 0螺旋的圈数。A=1（M为奇数时），A=2 （M为偶数）。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
6、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。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
7、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1 的 内芯与电缆3 的外皮连接，再将电缆1 的外皮与电缆2 的
8、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。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S口小于-10dB的频率范围在1.5181
9、 20073GHz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。farfield (f=01,5800) 1Gain AbsPhi=90)Frequency = 1.58Main lobe magnitude = 4.2 dBMain lobe direction = -35.0 deg.Theta / Degree vs. dB Angular width (3 dB) = 152.6 deg图
10、7 Phi=90 归一化辐射方向图Axial RatioPhi=90)35 -30 -25 -电20 -15 -10 -farfield (f=01,5600) 1Main lobe magnitude = 37.3 dB-200-150-100-50050100150200 Frequency = 1,56图 8 天线的轴比特性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，从而实现圆极化。得到了频率范围在 1.5181-2.0073GHz
11、 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152.6，具有良好的宽波束特性。仿真表明，天线 的轴向长度对方向图的影响较大，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, 46.3 Adams A T. The Quadrifilar Hel
12、ix 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
13、(10): 1545 1550.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 fur den persdnlichen fur Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l etude et la recherche uniquement a des fins personnelles; pas a des fins commerciales.TonbKO gn只 nwgen, KOTopbie ucnonb3yQTC只 gn只 o6yqeHU只，uccnegoBaHU叼 u He gonxHNucnonb3OBaTbc只 b KOMMepqecKux qen只x.以下无正文
谐振式四臂螺旋天线的设计分析
