四臂螺旋天线设计与实现研究

樊际洲

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

四臂螺旋天线设计与实现研究

樊际洲

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

文章介绍了四臂螺旋天线的结构特性和几何尺寸、螺旋模式；设计了一种小型四臂螺旋天线，采用巴伦平衡结构的自相移馈电方式馈电，将螺旋臂印刷在高介电常数陶瓷柱上，减小了天线的体积，通过仿真分析，该种天线具有良好的宽波束和圆极化特性。

四臂螺旋天线；陶瓷介质；圆极化；宽波束

1 螺旋天线

1.1 螺旋天线的结构与几何特性

金属导体按螺旋状绕制，形成天线主体结构，天线形状根据螺旋半径的渐变可分为锥体和柱体两种。按照天线结构形式，一般分为平面螺旋天线和立体螺旋天线。常用的几种类型主要有锥螺旋天线、多绕轴向模螺旋天线、平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线等。天线的输入是一个端口开路或连接电缆外导体，另一端口连接同轴电缆内芯。同轴电缆馈电时，会发生天线内部电流泄漏到电缆外皮现象，一般在天线馈电端口处安置直径R=0.8－1.5λ金属圆盘，保证了天线的平衡馈电。螺旋天线基本结构和几何特性具体如图1所示。

图1 螺旋天线基本结构和几何特性

当X=0，α=0°时，螺线天线可简化为环形天线；当D=0，α=0°时，可简化为线型天线。

1.2 螺旋天线辐射模式分析

四臂螺旋天线辐射特性受天线结构的影响较大，螺旋直径波长比D/λ，直径D起到关键作用，决定了辐射方式。当直径D＜λ时，辐射模式为法向模，螺旋天线最大辐射方向与轴线相交900，几何形状呈现圆形且垂直于轴向的平面方向图，而在轴向平面内的方向图呈8字形状；当直径时，辐射模式为轴向模，此时螺旋天线最大辐射方向与轴线方向一致；当，辐射模式为圆锥模，方向图呈现圆锥形几何形状，此时方向图由单波束辐射呈圆锥形的两个方向辐射。

2 四臂螺旋天线结构和设计

四臂螺旋天线具备优良的辐射特性，在卫星导航领域应用较多。目前通信领域实现小型化、宽频带、多频化研究与设计。螺旋天线的天线主体部分为4根长度均为的螺旋臂，M取值为（1，2，...，n）。天线非馈电端结构受M影响，M为偶数时，天线的非馈电端短路；M为奇数时，形成开路状态。终端开路和终端短路四臂螺旋天线结构如图2所示。

图2 终端开路和终端短路四臂螺旋天线结构

图2中，x为天线螺距，D为螺旋直径，H为螺旋轴长，n为螺旋圈数。天线结构尺寸计算参考公式为：

式（4）中，Lax表示螺旋天线的螺旋轴向长度，单位为mm；Lele表示螺旋天线臂长度，单位为mm；N表示螺旋圈数；r0表示螺旋天线螺旋半径，单位为mm；当M为奇数时，A=1；当M为偶数时，A=2。

本文设计的一种小型化四臂螺旋天线，谐振频率为1.575 GHz。天线的螺旋臂体积约为一般便携式通信接收天线的1/6。加载基体介质为微波陶瓷介质柱，介电常数为36.5，损耗角＜0.003，轴心孔直径1.4 mm，柱体直径9.9 mm，高度19 mm[1]。天线的辐射柱体由4条λ/2的螺旋臂构成，螺旋臂的宽度1.8 mm，陶瓷柱轴向的螺旋绕数N=0.5圈。陶瓷柱下端为巴伦部分，实现顶端馈电端口处等功率输出两路信号，最大限度消除外界环境干扰，大小为1个套筒巴伦，巴伦边缘距离同轴电缆外导体λ/4。螺旋臂激励是由同轴从陶瓷柱轴心穿过的电缆提供，同轴电缆外导体与套筒巴伦底部相连接。四臂螺旋天线馈电方式的设计，主要采用自相移馈电方式，即在天线顶部馈电线的内芯和外导体分别接到左右两侧相连的螺旋臂组。馈电部分的同轴线内外导体焊接点采用不完全对称焊接的焊接方式，目的是实现螺旋臂正交馈电，这样对称轴线旋转Φ 角度。

3 天线仿真与测试

3.1 天线建模

利用电磁软件，建立天线仿真模型，根据设计需要，设计取值为轴心孔直径1.4 mm，柱体直径9.9 mm，高度19 mm。介质陶瓷柱高度h计算公式为：

3.2 仿真结果分析

把4个单独馈电端口与四臂螺旋天线馈电相对应，并设置四臂螺旋天线倒扣在介质基板上，螺旋臂与基板上的微带线相连。在微带线终端加上4个集总端口LumpPort，集总端口输入功率均设置一样，相位按顺时针方向分别设置为0°，90°，180°，270°[2]，从而实现天线的右旋圆极化辐射方式。此种条件下，4条螺旋臂得到的激励电流幅度差均为90°，且大小相等。仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

图3中给出了天线3D仿真方向图、左旋圆极化方向图、立体、YOZ平面增益方向图。天线辐射为心型完全对称形状方向图，波束宽度近完全覆盖上半平面。对称轴线旋转Φ 角=0°时，可以发现螺旋天线在上半平面接收的主要是右旋圆极化波，交叉极化特性较好，另外可以获得﹣1.6 dB增益最大值，波束带宽约为130°，3 dB带宽。自相移馈电下天线辐射特性仿真结果分析表明，天线具有X轴方向的﹣2.3 dB增益最大值，Y轴方向增益几乎为0 dB。

4 结语

四臂螺旋天线已经应用广泛，并向小型化、宽频带、多频化方向发展。本文设计的一种小型四臂螺旋天线，采用巴伦平衡结构的自相移馈电方式馈电，将螺旋臂印刷在高介电常数陶瓷柱上，减小了天线的体积，通过仿真分析，该种天线具有良好的宽波束和圆极化特性。

[1]褚庆圻，蔺炜，林伟鑫，等.具有紧凑馈电网络的宽带四臂螺旋天线[J].电子学报，2013（41）：722-726.

[2]白旭东，曹岸杰，唐晶晶，等.一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计[J].中国电子科学研究院学报，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

樊际洲（1977— ），男，陕西渭南，硕士，高级天线设计师；研究方向：宽带天线。