四臂螺旋天線研究與設計

程 喆 李英杰

(1.中國電子科技集團第二十研究所 陜西 西安 710068；2.西安電子科技大學 陜西 西安 710071)

0 引言

J.D.Kraus第一次發現了螺旋結構天線，并為螺旋天線的應用與發展做出了重大貢獻[1]。典型的螺旋天線一般為圓柱形，通常由金屬絲纏繞而成，其結構如圖1所示。螺旋天線結構的空間特征參量有三個：螺旋高度、螺距和直徑。

圖1 螺旋天線結構與方向圖

螺旋天線的直徑d與波長λ的比值不同，其對應的方向圖也不同。當 d/λ＜0.18 時，方向圖如 1（c）所示，當 0.25＜d/λ＜0.46時，方向圖如圖 1（b）所示，當 d/λ≈1時，方向圖如圖 1（c）所示。

C.C.Kilgus在1968年提出了諧振式四臂螺旋結構天線[2]，典型結構如圖2所示。

它由四根螺旋臂組成，每根的長度為四分之一波長的整數倍。四根螺旋臂饋電端的電流幅度相等，相位依次相差90°，這就要求饋電網絡在滿足功率分配的同時，還要考慮到相移條件限制。

由于四臂螺旋天線具有心形方向圖、良好的前后比及優異的寬波束圓極化特性，十分適合用作衛星定位系統的接收天線。

圖2 四臂螺旋天線

1 天線的設計要求

天線要求為右旋圓極化，工作頻率為L波段多頻點，天線的電壓駐波比（VSWR）小于2，各頻點帶寬10MHz。天線圓極化增益大于6dB，仰角15°以上的軸比小于6dB,天線天頂到90°的增益落差大于12dB。

2 四臂螺旋天線的理論分析

分析四臂螺旋天線工作原理及輻射遠場的方法有多種。A.Sharaiha提出了基于MEI積分公式的方法計算天線的阻抗及輻射遠場[3]；Chen Chen應用矩量法研究了天線的輻射方向圖及電流分布[4]；Cheng-Wei討論了四臂螺旋天線的諧振模式及行波模式[5]。

Kilgus.C.C提出了一種等效方法來研究四臂螺旋天線的工作原理[6]。四臂螺旋天線可以看作是兩股相互垂直于軸線的雙臂螺旋線組成，其饋電相位相差90°。由于處在諧振狀態，螺旋線上的電流分布近似認為是正弦分布，電流零點位于螺旋線中間。所以，其中一條雙臂螺旋線可以看作是一根線偶極子及一根半環偶極子組成結構如圖3所示。箭頭表示電流流向，而中間虛線表示的電流Ip是圓環電流矢量之和。模型可以進一步等效簡化如圖4所示，螺旋線上的電流分布接近于方形的環偶極子。

圖3 簡化圖1

圖4 簡化圖2

小環偶極子的輻射場表達式為：

其中，ID為偶極子電流，IL為環偶極子電流，k=2π/λ，A 為環面積，L為偶極子長度，λ為工作波長，K1和K2為常數。

而最終四臂螺旋天線可以等效為兩個相互垂直饋電相位相差90°的環偶極子的組合，其等效圖如圖5所示。

兩條雙臂螺旋線的輻射場表達式分別為：

圖5 簡化圖3

由于兩條雙螺旋線正交饋電，所以α=π/2，通過場的疊加，其總場為：

上述方法可以很方便的去理解四臂螺旋天線的工作原理。

3 設計實例

在天線設計中考慮指標要求，本文采用四臂螺旋天線的實現形式。

螺旋天線用四條金屬螺旋臂繞成。在螺旋臂的一端饋電，饋電電流幅度相等，相位依次相差90。當臂長為1/4波長的奇數倍時，臂的另一端開路，而臂長為1/4波長的偶數倍時，另一端短路。天線螺旋臂的直角坐標方程如下：

其中，r0為錐形地面起始半徑，△d為半徑每圈的減少量，p為螺距，N為圈數，L為臂長。各參數由式15中計算得到。

依照上述理論設計了一種角錐四臂螺旋天線。

我們使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真，其模型如圖6所示：

圖6 角錐四壁螺旋天線模型

我們采用底端饋電的方式對天線進行饋電，端口之間饋電幅度相等，相位依次相差90°，實現天線圓極化。

為了實現天線天頂90°增益落差大于12dB,本文選取天線其中的兩個頻點，在天線底部增加了兩個扼流槽，扼流槽的寬度為十分之一個波長，深度大概為四分之一個波長。扼流槽的模型如圖7所示。

圖8為角錐四臂螺旋天線的增益方向圖，圖9為天線的軸比圖。從圖8,9中可以看出，天線在各個頻段上的圓極化增益都大于6dB，天線天頂到90°的增益落差均大于12dB。從圖9中可以看出，天線的圓極化在仰角15°以上的軸比小于6dB

圖7 天線扼流槽的示意圖

圖8 天線的仿真方向圖

圖9 天線的仿真軸比圖

天線的駐波方向圖如圖10所示。

圖10 天線的駐波

如圖10所示，各頻點的駐波都在2以下，滿足設計指標的要求。

4 結論

本文設計了一種多頻點角錐型四臂螺旋天線，結果表明該天線具有良好的增益特性和方向圖特性，基本實現了天線的設計要求。

［1］J.D.Kraus,Antenna,New York:Mc Grall Hill,1988.Page(s)174-179

［2］C.C.Klilus,Multielement,Fractional Turn Helices,Antennas and Propagation,IEEE Transactions on 1968,16(4):499-500.

［3］Sharaiha,A;Terret,C.Analysis of quadrifilar resonant printedh elical antenna for mobile communications,Microwaves,Antennas and Propagation,IEE ProceedingsH Volume 140,Issue 4,Aug.1993 Page(s):269-273.

［4］Chen Chen;Fang Yang;ChenjiangGuo;Jiadong Xu.Analysis and design of a satellite-borne wide-beam quadrifilar helix antenna.Microwave Conference,2008.APMC 2008.Asia.Pacific.16-20 Dec.2008 Page(s):l-4.

［5］Cheng-Wei Lan;Jean-Fu Kiang;Quadfifilar helix antenna for GPS Applications;Networking,Sensing and Control,2004 IEEE International Conference on Volume1,2l-23 March 2004 Page(s):639-642 V01.1.

［6］Kilgus,C.;Multielement,Fractional Turn Helices;Antennas and Propagation,IEEE Transactions on Volume 16,Issue 4,Jul 1968Page(s):499-500.