一种带有新型馈电结构的宽带印刷角锥四臂螺旋天线

徐挺威，谢拥军*，李炎红，许 昭，田 超

1.天线与微波技术国家重点实验室西安电子科技大学， 西安710071；

2.电子科技大学电子工程学院， 成都610054

近年来，印刷四臂螺旋天线由于其低损耗，重量轻以及良好的圆极化特性而广泛的应用于移动通信，GPS等领域。然而，传统的印刷四臂螺旋天线一般只有5%～8%的带宽，远不能满足要求[1-5]。国内外学者提出了一些辐射单元和馈电网络的改进技术来展宽印刷四臂螺旋天线带宽。文献[1， 6]通过使用逐渐变窄的螺旋臂以及同时改变臂宽和螺旋升角来增加阻抗带宽，但是没有提到轴比带宽。文献[7]提出折叠形印刷四臂螺旋天线，用一条短路寄生臂与辐射臂相连，其阻抗带宽可达到30%(VSWR＜2)。文献[8]首次提出了锥形印刷四臂螺旋天线，使用3个3 dB电桥对天线进行馈电，能实现32.4 %的阻抗带宽(S11＜-10 dB)以及18.5%的3 dB轴比带宽。文献[9]采用较小螺旋升角的圆柱形印刷四臂螺旋，并采用3个威尔金森功分器进行馈电，驻波小于1.5的频率范围为2 GHz～2.8 GHz， 3 dB轴比带宽约为27.9%。文献[10]提出了采用3 dB电桥馈电的锥型印刷四臂螺旋天线，驻波比在1.5以下的频率范围为1.47 ～1.6 GHz。文献[11]提出了一种是采用缝隙耦合馈电的四臂螺旋天线，其阻抗带宽从1.27到1.64 GHz，带内轴比小于3.3 dB。但是上述天线都需要一个较大的地板来支撑馈电网络，从而增大天线的安装空间。文献[12]提出了一种使用柱面共形3 dB电桥馈电的印刷四臂螺旋天线，可以减少地板的安装空间，其带宽可达10 %(VSWR＜1.3)，但是没有提到轴比带宽。文献[13]把该设计应用于Ku波段的印刷四臂螺旋天线当中得到10%的阻抗带宽(S11＜-10 dB)但是同样没有提到轴比带宽。

本文提出一种新型馈电结构的印刷四臂螺旋天线。该天线的四条螺旋臂印刷在很薄的柔性介质板上成卷锥形状。馈电网络由3个T型微带线网络组成，使四臂的馈电相位依次相差90°。馈电网络通过采用柱面共形结构可以极大地减少天线地板尺寸的同时获得比文献[12， 13]更宽的阻抗带宽。该天线具有宽波束以及很好的圆极化特性，在工作频率为1.575 GHz时具有150°的半功率波瓣宽度以及39.7 %的阻抗带宽和22 %的轴比带宽。测试与仿真结果吻合良好。

1 天线及馈电网络的设计

(1)天线设计

印刷角锥螺旋天线在柔性介质上镀四条金属螺旋臂。在螺旋臂的一端馈电，馈电电流幅度相等，相位依次相差90°。当臂长为1/4 波长的奇数倍时，臂的另一端开路，而臂长为1/4波长的偶数倍时，另一端短路。天线螺旋臂的直角坐标方程如下[8]：

其中， r0为锥形底面起始半径， Δd为半径每圈的减少量， p为螺距， N为圈数， L为臂长。

印刷角锥四臂螺旋天线平面结构如图1所示。各参数可以由方程(组5)得出：

图1 印刷四臂螺旋天线平面结构

依照上述理论设计制作了工作频率为1.575 GHz的印刷角锥四臂螺旋天线。天线的设计参数值如表1所示。

表1 天线设计参数

(2)馈电网络设计

天线馈电网络采用3个T型微带网络形式，其传输线模型如下。

图2 馈电网络传输线模型图

我们使用传输线理论对馈电网络进行分析。假设四个负载的阻抗均为50欧姆，传输线为无耗传输线，各段传输线的电长度分别为θ1至θ6。无耗传输线的[A]矩阵为：

其中， Z0为传输线特性阻抗， θ为传输线电长度。

根据传输线理论，参考面A-A′的输入阻抗为：

同理，参考面B-B′， C-C′， D-D′的输入阻抗为：

而参考面E-E′的输入阻抗为：

同理，参考面F-F′的输入阻抗为：

同样我们根据传输线理论计算参考面G-G′， H-H′的输入阻抗，得：

则图中所示参考面I-I′输入阻抗为：

为了使其与特性阻抗为50 Ω的馈电端口匹配，我们使用四分之一波长传输线进行阻抗变换。根据1/4波长阻抗变换传输线匹配原理，其特性阻抗为：

当四个负载为四条螺旋臂时，四条螺旋臂可以获得等幅馈电。通过调整各节微带线的长度，可以使四个螺旋臂之间相位依次相差90°，从而实现右旋圆极化。馈电网络平面结构如图3所示，其中介质薄片的长度W为179 mm，宽度H为20 mm。

图3 馈电网络平面结构图

(3)仿真建模

我们使用Ansoft HFSS 11.0 软件进行建模仿真，模型如图4 所示。馈电网络和螺旋臂印刷在介电常数为3.4，厚度0.16 mm的柔性介质板上，馈电网络直接安装在天线的下面。使用柱面共形馈电网络可以有效减小安装地板面积。由于在HFSS软件当中圆柱及圆台等均使用多边棱柱拟合，如果直接使用圆柱和圆台模型涂覆上金属片，在剖分网格时会容易出现错误。为了避免错误，在仿真时我们采用24边棱柱拟合圆柱和圆台。

图4 印刷角锥四臂螺旋天线HFSS模型图

2 仿真及测试结果

在馈电网络的制作当中，馈电微带线在介质内表面，通过镀金属的过孔连通螺旋臂，而地板在外表面。其回波损耗和轴比带宽仿真及实测结果如图5及图6所示。

图5 S11曲线

图6 轴比带宽曲线

从图5可以看到，天线回波损耗小于-10 dB的仿真结果为1.3 GHz～1.92 GHz，测试结果为1.25 ～1.87 GHz，测试结果与仿真结果吻合良好。3 dB轴比带宽为1.3 GHz～1.65 GHz。天线辐射方向图的频率特性如图7至图8所示。

图7 1.575 GHz辐射方向图

图8 1.575 GHz轴比图

从图7及图8可以看出，工作频率为1.575 GHz的波束宽度达到150°，波束宽度内轴比小于3 dB，交叉极化小于-17 dB。该天线具有很好的宽波束圆极化特性。

图9及图10分别显示了在1.35 GHz、1.65 GHz的方向图。两个频点上半功率波瓣宽度分别为140°和160°。结果显示，印刷角锥四臂螺旋天线在频带内拥有良好的宽波束特性。

图9 1.35 GHz辐射方向图

图10 1.65 GHz辐射方向图

图7、图9及图10显示在1.35 GHz、1.575 GHz、1.65 GHz三个频点的最大增益分别为1.3 dB， 2 dB和0.9 dB。 15°仰角处的增益分别有-1.8 dB、-0.3 dB、-1.4 dB。天线在上半球面(15°仰角以上区域)增益变化小于3.5 dB，使天线能有效接收到各个方向的卫星信号。在接近地面的低仰角增益急剧下降，从而可以很好的抑制地面附近的噪声和干扰。最终天线实物制作如图11所示。

图11 印刷角锥四臂螺旋天线实物图

3 结论

本文提出了一种新型印刷角锥四臂螺旋天线，设计并制作了天线实物。该天线实现减少安装空间的同时很好的改善了天线的阻抗带宽和轴比带宽。天线的阻抗带宽和轴比带宽达到620 MHz和350 MHz。该天线具有良好的右旋圆极化增益及宽波束特性，适合用于卫星通讯系统等领域。

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