諧振式四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)分析

1、諧振式四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)與分析黃麗玉84（北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京100876）摘要 本文首先介紹四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)組成、工作原理，然后針對(duì)衛(wèi)星通信中天線方向圖的圓極化寬波束需求，利用三維電磁仿真軟件 CST Microwave Studio 對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真， 實(shí)現(xiàn)了一種四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)和仿真。該天線通過(guò)無(wú)限巴倫實(shí)現(xiàn)平衡饋電，并利用四臂螺旋自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)造了 90 °自相移結(jié)構(gòu)，獲得了較好的圓極化特性，得到了 1.5181-2.0073GHZ的頻率范圍，相對(duì)帶寬為 30.77%，半功率波瓣寬度達(dá)到152.6。，具有良好的寬波束特性，對(duì)同類(lèi)天線的設(shè)計(jì)和小型化具有一定的參

2、考價(jià)值。關(guān)鍵字 四臂螺旋天線；寬波束；無(wú)限巴倫For pers onal use only in study and research; not for commercial use1引言四臂螺旋天線由于具有較寬的圓極化輻射波束，可以在較低的仰角位置上保持較高的增益，通過(guò)調(diào)節(jié)其物理尺寸可以方便地得到不同的輻射方向圖，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、 無(wú)需參考地等優(yōu)點(diǎn)，在GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。Kilgus于上世紀(jì)六七十年代提出了四臂螺旋天線，這種天線是由四根饋電電流幅度相等、相位依次相差90°的螺旋線組成的諧振式輻射結(jié)構(gòu)。幅度相位通過(guò)平衡饋電結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，常采用U

3、型管、入/4開(kāi)槽同軸線2，但當(dāng)工作頻段較低時(shí)，這些結(jié)構(gòu)尺寸較大，90°相移實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)3采用了饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)四臂螺旋的90°相移，但是當(dāng)工作頻段較低時(shí)，饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸較大，受到參考地尺寸的嚴(yán)重制約。文獻(xiàn)4采用在饋電處并聯(lián)電纜的方法，通過(guò)調(diào)整電纜長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)90°相移，但由于天線的相移頻率和電纜的相移頻率不重合，增加了調(diào)試的復(fù)雜度。本文天線采用無(wú)限巴倫和90°自相移結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了圓極化寬波束。無(wú)限巴倫無(wú)需另加饋電結(jié)構(gòu)，利用同軸電纜自身的外皮和內(nèi)芯電流幅度相等、相位相差180°的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)四臂的平衡饋電；90°自相移通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋線的自

4、身長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，天線尺寸不受限制， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)在低頻段衛(wèi)星通信中有很大優(yōu)勢(shì)。2四臂螺旋天線理論和設(shè)計(jì)2.1四臂螺旋天線的理論分析Kilgus提出的四臂螺旋天線如圖1所示，為諧振型天線。該天線由四根螺旋臂組成，每根螺旋臂長(zhǎng)度為M，/ 4（ M為整數(shù)），四根螺旋臂饋電端電流相等，相位兩兩相差 90（分別為0° 90 °，180°和270°）;四個(gè)螺旋臂一般繞成N/4圈（N = 1, 2, 3），非饋電端開(kāi)路（M為奇數(shù)時(shí)）或短路（M為偶數(shù)時(shí)）。四臂螺旋天線也可以看作是由兩個(gè)等幅正交饋電的雙臂螺旋天線組成。本文所設(shè)計(jì)的天線 是在頂部饋電，底部短路。

5、天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由以下 （1）式確定5:(1)式中：Lax為螺旋的軸向長(zhǎng)度（mm）, Le為螺旋臂的長(zhǎng)度（mm）, r°為螺旋的半徑（mm）, N為 螺旋的圈數(shù)。A=1 （M為奇數(shù)時(shí)），A=2 （ M為偶數(shù)）。圖1諧振式四臂螺旋天線設(shè)計(jì)四臂螺旋天線時(shí)，要確定其軸向長(zhǎng)度、螺旋半徑和螺旋線上升角，從而得到預(yù)期的天線增益、方向性和輸入阻抗。諧振的1/4圈、1/2圈和1圈的四臂螺旋天線在任何軸長(zhǎng)和直徑下，能夠產(chǎn)生心形方向圖。用環(huán)-偶極子模型3可以對(duì)該天線工作原理進(jìn)行理論分析。四臂螺旋天線可以看作由兩個(gè)雙 臂螺旋天線構(gòu)成，它們之間旋轉(zhuǎn)90°且正交饋電。對(duì)于一個(gè)雙臂螺旋天線來(lái)說(shuō)，當(dāng)天線

6、處于諧振狀態(tài)時(shí)，臂上的電流幅度接近正弦分布，其中最大值位于饋電點(diǎn)和短路點(diǎn)，零點(diǎn)位于螺旋臂中部，若將每條螺旋臂簡(jiǎn)化成直線和半圓， 則得到雙臂螺旋的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。這里選擇螺旋中心為原點(diǎn)， 軸為z軸，頂面和底面上天線臂方向?yàn)閥軸來(lái)建立坐標(biāo)系，顯然該模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如圖3所示的一個(gè)YZ平面上的電流環(huán)和一個(gè) x軸上的電偶極子的組合。同樣，另一付雙臂螺旋天線亦可以等效成另一 個(gè)環(huán)-偶極子組合。根據(jù)天線的疊加原理，由于這兩組環(huán)-偶極子互相垂直且相位差 90°,那么在遠(yuǎn)區(qū)得到的是一個(gè)寬波束的心型的圓極化方向圖。圖2雙臂螺旋天線簡(jiǎn)化模型圖3雙臂螺旋天線環(huán)-偶極子模型2290°自相移結(jié)

7、構(gòu)和平衡饋電結(jié)構(gòu)90°饋電，可以使用移相網(wǎng)絡(luò)分別給每條臂四臂螺旋天線的關(guān)鍵問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)四臂等幅且依次相差饋電，但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且損耗大。另一種方法是采用同軸電纜經(jīng)軸心在頂部進(jìn)行饋電，由于同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體電流反向，因此可實(shí)現(xiàn)雙臂螺旋的等幅反向饋電，而兩個(gè)雙臂螺旋之間的90°相移可通過(guò)自相移結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即兩個(gè)雙臂螺旋的長(zhǎng)度有一定差別，其中一個(gè)比諧振時(shí)的長(zhǎng)度稍長(zhǎng)，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于諧振時(shí)有-45°相移的輸入阻抗，另一個(gè)比諧振時(shí)的稍短，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于諧振時(shí)有+ 45°相移的輸入阻抗，這樣，兩個(gè)雙臂螺旋就實(shí)現(xiàn)了相位差90°。為實(shí)現(xiàn)同軸電纜到天線臂的平衡饋電，可

8、采用套筒扼流巴倫、縫隙對(duì)稱(chēng)巴倫等多種巴倫結(jié)構(gòu)。本文采用一種結(jié)構(gòu)輕便的無(wú)限巴倫，如圖 4所示，天線的四臂均用同軸電纜。將同軸電纜1的內(nèi)芯與電纜3的外皮連接，再將電纜 1的外皮與電纜 2的外皮連接，最后將電纜 3的外皮和電纜 4 的外皮連接。由于同軸電纜外皮和內(nèi)芯的電流幅度相等、方向相反，所以螺旋四臂上的電流相等。圖4平衡饋電結(jié)構(gòu)示意圖2.3天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真本文利用CST STUDIO SUITE 2010對(duì)其進(jìn)行建模和全波仿真模型圖如下圖5所示。該天線設(shè)計(jì)每個(gè)臂繞一圈，工作在GPS頻段，中心頻率為1.56G，臂長(zhǎng)為20mm，近似一個(gè)波長(zhǎng)。天線軸長(zhǎng)為105mm,螺旋線直徑為4mm。天線垂直架設(shè)

9、在一個(gè)直徑 120mm的圓形平板中心上方 18mm處。該天線為右旋極 化天線。圖5四臂螺旋天線模型1、駐波和阻抗特性如圖6所示，天線的 S11小于-10dB的頻率范圍在1.5181-2.0073GHZ之間，相對(duì)帶寬大約為30.77%。圖6天線駐波圖2、天線輻射特性的分析如圖7所示天線的極化增益達(dá)到4.2dB，半功率波瓣寬度達(dá)到152.6°,具有良好的寬波束特性。天線的軸比特性如圖 8所示，在80°范圍內(nèi)小于3dB，體現(xiàn)了良好的右旋圓極化特性。Gain Abs (Phi=90)Afield (f=01.580C) 10-60900120-120-150180-905Theta

10、 / Degree vs. dBFrequency = 1.58Main lobe magnitude = 4.2 dB Main lobe direction = -35.0 deg.Angular width (3 dB) = 152.6 deg.圖7 Phi=90歸一化輻射方向圖Axial Ratio (Phi=90)40 -|1111farfield (f=0 1 5600) 10 -I11ii111-200-150-100-50050100150200Theta / DeqreeFrequency = 1,56Main lobe magnitude = 37.3 dB圖8天線的軸比特

11、性該天線的方向圖有些微的偏差，原因可能為四個(gè)臂的饋電相位差不是很準(zhǔn)確，將為下一步本文的研究工作。4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種寬波束的四臂螺旋天線，運(yùn)用無(wú)限巴倫實(shí)現(xiàn)平衡饋電，通過(guò)改變螺旋臂的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)90°相移，從而實(shí)現(xiàn)圓極化。得到了頻率范圍在 1.5181-2.0073GHZ之間，相對(duì)帶寬大約為30.77%，并且極化增益達(dá)到4.2dB，半功率波瓣寬度達(dá)到152.6°，具有良好的寬波束特性。仿真表明，天線的軸向長(zhǎng)度對(duì)方向圖的影響較大，保持一定的軸長(zhǎng)與直徑之比就可實(shí)現(xiàn)寬波束方向圖。不同的螺旋旋向，可得到不同的圓極化方式。參考文獻(xiàn)1 Kilgus C C. Resonant Quadrif

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