谐振式四臂螺旋天线的设计分析

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1、谐振式四臂螺旋天线的设计与分析黄丽玉2011111184(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CSTMicrowaveStudio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.

2、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。关键字四臂螺旋天线；宽波束；无限巴伦1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

3、型管、λ/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

4、；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°6，180°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

5、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：为螺旋的轴向长度（mm），为螺旋臂的长度（mm），为螺旋的半径（mm），为螺旋的圈数。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

6、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

7、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。6图2双臂螺旋天线简化模型图3双臂螺旋天线环-偶极子模型2.290°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

8、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的外皮连接，最