四臂螺旋天線設計與實現研究

樊際洲

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

四臂螺旋天線設計與實現研究

樊際洲

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

文章介紹了四臂螺旋天線的結構特性和幾何尺寸、螺旋模式；設計了一種小型四臂螺旋天線，采用巴倫平衡結構的自相移饋電方式饋電，將螺旋臂印刷在高介電常數陶瓷柱上，減小了天線的體積，通過仿真分析，該種天線具有良好的寬波束和圓極化特性。

四臂螺旋天線；陶瓷介質；圓極化；寬波束

1 螺旋天線

1.1 螺旋天線的結構與幾何特性

金屬導體按螺旋狀繞制，形成天線主體結構，天線形狀根據螺旋半徑的漸變可分為錐體和柱體兩種。按照天線結構形式，一般分為平面螺旋天線和立體螺旋天線。常用的幾種類型主要有錐螺旋天線、多繞軸向模螺旋天線、平面等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線等。天線的輸入是一個端口開路或連接電纜外導體，另一端口連接同軸電纜內芯。同軸電纜饋電時，會發生天線內部電流泄漏到電纜外皮現象，一般在天線饋電端口處安置直徑R=0.8－1.5λ金屬圓盤，保證了天線的平衡饋電。螺旋天線基本結構和幾何特性具體如圖1所示。

圖1 螺旋天線基本結構和幾何特性

當X=0，α=0°時，螺線天線可簡化為環形天線；當D=0，α=0°時，可簡化為線型天線。

1.2 螺旋天線輻射模式分析

四臂螺旋天線輻射特性受天線結構的影響較大，螺旋直徑波長比D/λ，直徑D起到關鍵作用，決定了輻射方式。當直徑D＜λ時，輻射模式為法向模，螺旋天線最大輻射方向與軸線相交900，幾何形狀呈現圓形且垂直于軸向的平面方向圖，而在軸向平面內的方向圖呈8字形狀；當直徑時，輻射模式為軸向模，此時螺旋天線最大輻射方向與軸線方向一致；當，輻射模式為圓錐模，方向圖呈現圓錐形幾何形狀，此時方向圖由單波束輻射呈圓錐形的兩個方向輻射。

2 四臂螺旋天線結構和設計

四臂螺旋天線具備優良的輻射特性，在衛星導航領域應用較多。目前通信領域實現小型化、寬頻帶、多頻化研究與設計。螺旋天線的天線主體部分為4根長度均為的螺旋臂，M取值為（1，2，...，n）。天線非饋電端結構受M影響，M為偶數時，天線的非饋電端短路；M為奇數時，形成開路狀態。終端開路和終端短路四臂螺旋天線結構如圖2所示。

圖2 終端開路和終端短路四臂螺旋天線結構

圖2中，x為天線螺距，D為螺旋直徑，H為螺旋軸長，n為螺旋圈數。天線結構尺寸計算參考公式為：

式（4）中，Lax表示螺旋天線的螺旋軸向長度，單位為mm；Lele表示螺旋天線臂長度，單位為mm；N表示螺旋圈數；r0表示螺旋天線螺旋半徑，單位為mm；當M為奇數時，A=1；當M為偶數時，A=2。

本文設計的一種小型化四臂螺旋天線，諧振頻率為1.575 GHz。天線的螺旋臂體積約為一般便攜式通信接收天線的1/6。加載基體介質為微波陶瓷介質柱，介電常數為36.5，損耗角＜0.003，軸心孔直徑1.4 mm，柱體直徑9.9 mm，高度19 mm[1]。天線的輻射柱體由4條λ/2的螺旋臂構成，螺旋臂的寬度1.8 mm，陶瓷柱軸向的螺旋繞數N=0.5圈。陶瓷柱下端為巴倫部分，實現頂端饋電端口處等功率輸出兩路信號，最大限度消除外界環境干擾，大小為1個套筒巴倫，巴倫邊緣距離同軸電纜外導體λ/4。螺旋臂激勵是由同軸從陶瓷柱軸心穿過的電纜提供，同軸電纜外導體與套筒巴倫底部相連接。四臂螺旋天線饋電方式的設計，主要采用自相移饋電方式，即在天線頂部饋電線的內芯和外導體分別接到左右兩側相連的螺旋臂組。饋電部分的同軸線內外導體焊接點采用不完全對稱焊接的焊接方式，目的是實現螺旋臂正交饋電，這樣對稱軸線旋轉Φ 角度。

3 天線仿真與測試

3.1 天線建模

利用電磁軟件，建立天線仿真模型，根據設計需要，設計取值為軸心孔直徑1.4 mm，柱體直徑9.9 mm，高度19 mm。介質陶瓷柱高度h計算公式為：

3.2 仿真結果分析

把4個單獨饋電端口與四臂螺旋天線饋電相對應，并設置四臂螺旋天線倒扣在介質基板上，螺旋臂與基板上的微帶線相連。在微帶線終端加上4個集總端口LumpPort，集總端口輸入功率均設置一樣，相位按順時針方向分別設置為0°，90°，180°，270°[2]，從而實現天線的右旋圓極化輻射方式。此種條件下，4條螺旋臂得到的激勵電流幅度差均為90°，且大小相等。仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真結果

圖3中給出了天線3D仿真方向圖、左旋圓極化方向圖、立體、YOZ平面增益方向圖。天線輻射為心型完全對稱形狀方向圖，波束寬度近完全覆蓋上半平面。對稱軸線旋轉Φ 角=0°時，可以發現螺旋天線在上半平面接收的主要是右旋圓極化波，交叉極化特性較好，另外可以獲得﹣1.6 dB增益最大值，波束帶寬約為130°，3 dB帶寬。自相移饋電下天線輻射特性仿真結果分析表明，天線具有X軸方向的﹣2.3 dB增益最大值，Y軸方向增益幾乎為0 dB。

4 結語

四臂螺旋天線已經應用廣泛，并向小型化、寬頻帶、多頻化方向發展。本文設計的一種小型四臂螺旋天線，采用巴倫平衡結構的自相移饋電方式饋電，將螺旋臂印刷在高介電常數陶瓷柱上，減小了天線的體積，通過仿真分析，該種天線具有良好的寬波束和圓極化特性。

[1]褚慶圻，藺煒，林偉鑫，等.具有緊湊饋電網絡的寬帶四臂螺旋天線[J].電子學報，2013（41）：722-726.

[2]白旭東，曹岸杰，唐晶晶，等.一種新型雙頻寬波束四臂螺旋天線的設計[J].中國電子科學研究院學報，2012（1）：81-84.

Study on design and implementation of quadri fi lar helix antenna mounted

Fan Jizhou

（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd, Guangzhou 510663, China）

This paper introduces quadri fi lar helix antenna mounted structure characteristics and geometry size, spiral pattern, designs a small quadri fi lar helix antenna mounted, using the Balun balanced structure of the self phase shift feeding supplying, spiral arm printed in high dielectric constant ceramic column, reduces the volume of the antenna, through the simulation analysis, this antenna has wide beam and good circular polarization characteristics.

quadri fi lar helix antenna mounted; ceramic dielectric; circular polarization; wide beam

樊際洲（1977— ），男，陜西渭南，碩士，高級天線設計師；研究方向：寬帶天線。