寬帶彎折漸變印刷四臂螺旋天線的設計

摘 要：目前，印刷四臂螺旋天線可以廣泛的應用于諸如移動衛星通訊，廣播衛星系統和全球定位系統等多種系統中。然而，對于這些系統應用而言，傳統的印刷四臂螺旋天線的帶寬已不能滿足它們的需求。因此，本文設計一種新型的印刷四臂螺旋天線。展示了一種漸變輻射臂寬度和寄生短路臂相結合的寬帶技術。同時本文提出了一種基于平行雙線的功分饋電網絡，有效的減小了傳統四臂螺旋天線饋電網絡的尺寸。實測結果表明該天線的工作帶寬達到了28%（1.86～2.5GHz）以上。

關鍵詞：寬帶天線；圓極化；印刷四臂螺旋天線

中圖分類號：TN823.31 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0048-06

Design of Broadband Folded Tapered Printed Quadrifilar Helical Antenna

WANG Chen

（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Abstract：Today the printed quadrifilar helical antenna（PQHA）can be widely applied to many applications such as mobile satellite communications，broadcasting satellite systems and global positioning systems. Nevertheless，the bandwidth of a conventional PQHA could be insufficient for applications. A new PQHA design is investigated in this paper. A technique of Increasing the bandwidth of the PQHA by modifying the wire width and adding a shorted parasitic helix is presented. And a power divider based on double-sided parallel striplines（DSPSL）is proposed to reduce the size of the conventional feeding network. Experimental results show that the bandwidth can reach more than 28%（1.86-2.5GHz）.

Keywords：broadband antenna；circular polarization；printed quadrifilar helical antenna（PQHA）

0 引 言

近年來，印刷四臂螺旋天線在各種系統中的應用受到廣泛關注，例如移動衛星通訊系統、廣播衛星系統和全球定位系統等。它具有低成本、輕重量、波束寬以及良好的圓極化性能等突出的特點。但是，傳統的印刷四臂螺旋天線一般帶寬較窄，無法滿足許多應用的需求[1-3]。

有文獻報道[4]，通過逐漸改變螺旋臂形狀來增加阻抗帶寬，最終得到一個雙頻工作的圓極化天線，工作在L頻段的帶寬僅為7%，在S頻段的帶寬為5%。

宋璐等[5]設計了一種雙頻自相移式四臂螺旋天線，該天線可以進行1.2GHz和1.8GHz雙頻通信，各個頻段的帶寬約為60MHz。

張繼龍等[6]設計了一種用于衛星定位系統的寬波束圓極化天線，該天線的帶寬為12%（2.3～2.6GHz）。

Bhandari等[7]通過改變輻射臂形狀設計了一種小型化四臂螺旋天線，但帶寬只有7.83%。

因此，如何保留四臂螺旋天線寬波束的特點，同時保持展寬工作帶寬就成為研究的重點。而且從既往研究文獻[7]中可以看出，傳統的四臂螺旋天線饋電網絡尺寸較大，因此設計小尺寸的功分饋電網絡也成為工程實現中的重要目標。本文提出了一種新的印刷四臂螺旋天線，以期展寬工作頻帶。

1 印刷四臂螺旋天線設計

如圖1所示，印刷四臂螺旋天線設計示意圖是由鍍有金屬螺旋臂的柔性介質（介電常數為2.1，厚度為0.2mm）卷曲而成。卷曲周長C約為0.6λ0（λ0為中心工作頻率2.2GHz的波長）。射頻信號先通過饋電點傳導到漸變主輻射臂（初始寬度為a），再通過頂部寬度為d的微帶線傳輸到寬度為b的寄生短路臂，最終回到天線底部接地。通過調整寄生短路臂的尺寸可以使寄生短路臂產生的新諧振點接近主輻射臂諧振點，從而達到展寬工作帶寬的目的。主輻射臂的漸變形式使得表面電流變化平緩，對天線帶寬的增加也有一定作用。采用電磁仿真軟件HFSS進行仿真分析，得到優化后的尺寸參數如表1所示。

天線的仿真結果如下，圖2所示為天線的電壓駐波比，從圖中可以看出，阻抗帶寬達到了28%（1.86～2.5GHz）。

為了考察天線的輻射特性，設計給天線四個端口進行相差90°的等幅饋電。仿真得到天線在1.86GHz、2.2GHz、2.5GHz三個頻點的輻射方向圖如圖3所示。從圖3中我們可以看出該天線達到了170°以上的3dB波瓣寬度。在理想饋電情況下，天線法線方向的交叉極化隔離度均達到57dB以上，說明軸比帶寬完全可以覆蓋1.86GHz至2.5GHz的工作頻帶，具有良好的圓極化特性。圖4為天線法線方向增益仿真結果，可以看出天線法向增益均在3.4dBic以上。

2 小型化饋電網絡設計

本研究利用平行雙線結構[8]設計了如圖5所示的一分四路移相饋電網絡。

從圖中可以看出深色和淺色的電路分別位于厚度為2×h的介質兩側，且尺寸一致。位于介質中間的是金屬層將平行帶線過渡為兩個同結構的反相微帶線。射頻信號從port1輸入到平行帶線，再傳輸到上下兩個反相微帶線，最后通過威爾金森功分器傳輸到其它4個端口，形成一分四且相位差90°的饋電網絡。采用奇偶模法[9]可以得到每一部分的特性阻抗。輸入和輸出端的特性阻抗為Z0=50Ω，反相微帶線的特性阻抗為Z1=Z0/=35.35Ω，威爾金森功分器的阻抗變換段特性阻抗為Z2=Z0×=70.7Ω，隔離電阻為R1=Z0/2=25Ω，R2=Z0×2=100Ω。該饋電網絡所使用的介質介電常數為10.1，厚度為2×h=3mm，尺寸為40mm×40mm。圖6為饋電網絡實物照片。

圖7、8、9為饋電網絡各項參數實測結果。從圖7中可以看出回波損耗小于-10dB的范圍為1.3GHz～3.5GHz。在工作帶寬內（1.86～2.5GHz）；端口1到其它端口的傳輸系數為-6.6dB左右，波動小于0.3dB。從圖8可以看出，在工作頻率范圍內端口2與其它3個輸出端口的隔離度均大于13dB。從圖9可以看出，在工作頻率范圍內4個輸出端口之間的相位差兩兩相差90°左右，隨頻率偏移小于13°。

3 天線實測電性能

最后把加工的饋電網絡和印刷四臂螺旋天線連在一起進行實物測試，實物照片如圖10所示。

圖11展示了天線實測的電壓駐波比，可以看出，在1.8GHz到2.6GHz的頻率范圍內，電壓駐波比小于2，相對帶寬達到了36%。

圖12（a～c）分別展示了該天線在1.86GHz，2.2GHz和2.5GHz的實測輻射方向圖。可以看出該天線在工作頻帶內具有良好的寬波束特性，半功率波瓣寬度均大于135°。由于饋電網絡的引入，饋電網絡的不對稱性致使方向圖產生了傾斜。同時饋電網絡非理想的相位差導致了交叉極化隔離度和軸比的惡化。圖13給出了實測的天線法向軸比曲線?？梢钥闯鲭m然軸比有所惡化，但3dB軸比帶寬依然達到了34%（1.81～2.56GHz）。圖14顯示1.86GHz到2.5GHz之間的法向輻射增益都在2.8dBic以上，這使得天線能有效的接受到較寬方向上的信號。

4 結 論

本文提出了一種彎折漸變印刷四臂螺旋天線和小型化饋電網絡，采用輻射臂寬度漸變與寄生短路臂相結合的方法，極大地改善了傳統印刷四臂螺旋天線工作帶寬較窄、饋電網絡尺寸較大的缺點。同時提出的平行雙線功分饋電網絡大大減少了四臂螺旋天線饋電網絡的尺寸，展現了良好的性能。最終得到的四臂螺旋天線工作帶寬達到了28%以上。該天線具有良好的圓極化增益及寬波束特性，可以用于多種通訊系統。而如何優化饋電網絡結構，改善不對稱性是未來的研究重點。

參考文獻：

[1] Chapari A，Firouzeh Z H，Moini R，et al. A low weight S-band quadrifilar helical antenna for satellite communication [C].// International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics and the Canadian Radio Science Meeting，2009. Antem/ursi. IEEE，2009：1-3.

[2] USMAN M，ARMITAGE DW. Acquisition of reflected gps signals for remote sensing applications [C]. 2008-06-15，S.l.：s.n.，2008：131-136.

[3] Alsawaha H，Safaai-Jazi A. New design for ultra-wideband hemispherical helical antennas [C].// Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，2009：1-4.

[4] LOUVIGNE JC，SHARAIHA A. Broadband tapered printed quadrifilar helical antenna [J]. Electron Lett，2001，37（15）：932.

[5] 宋璐，常勇猛，丁思宇，等.一種船用BDS/GPS雙頻四臂螺旋天線 [J].科技視界，2017（26）：16-17.

[6] 張繼龍，錢祖平，盧春蘭.一種用于衛星定位系統的寬波束圓極化天線 [J].中國電子科學研究院學報，2007，23（6）：620-622.

[7] Bhandari B，Gao S，Brown T. Meandered Variable Pitch angle Printed Quadrifilar Helix Antenna [C].// Antennas & Propagation Conference，2009. LAPC 2009. Loughborough. IEEE，2009：325-328.

[8] CHEN J-X，CHIN CHK，LAU KW，et al. 180°out-of-phase power divider based on double-sided parallel striplines [J]. Electron Lett，2006，42（21）：1229.

[9] CHIU L，YUM TY，XUE Q，et al. A wideband compact parallel-strip 180/spl deg/wilkinson power divider for push-pull circuitries [J]. Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2006，1（1）：49-51.

作者簡介：王宸（1985-），男，漢族，陜西漢中人，工程師，博士。研究方向：航空通信系統射頻微波技術。