四臂螺旋天线研究与设计

程 喆 李英杰

(1.中国电子科技集团第二十研究所 陕西 西安 710068；2.西安电子科技大学 陕西 西安 710071)

0 引言

J.D.Kraus第一次发现了螺旋结构天线，并为螺旋天线的应用与发展做出了重大贡献[1]。典型的螺旋天线一般为圆柱形，通常由金属丝缠绕而成，其结构如图1所示。螺旋天线结构的空间特征参量有三个：螺旋高度、螺距和直径。

图1 螺旋天线结构与方向图

螺旋天线的直径d与波长λ的比值不同，其对应的方向图也不同。当 d/λ＜0.18 时，方向图如 1（c）所示，当 0.25＜d/λ＜0.46时，方向图如图 1（b）所示，当 d/λ≈1时，方向图如图 1（c）所示。

C.C.Kilgus在1968年提出了谐振式四臂螺旋结构天线[2]，典型结构如图2所示。

它由四根螺旋臂组成，每根的长度为四分之一波长的整数倍。四根螺旋臂馈电端的电流幅度相等，相位依次相差90°，这就要求馈电网络在满足功率分配的同时，还要考虑到相移条件限制。

由于四臂螺旋天线具有心形方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性，十分适合用作卫星定位系统的接收天线。

图2 四臂螺旋天线

1 天线的设计要求

天线要求为右旋圆极化，工作频率为L波段多频点，天线的电压驻波比（VSWR）小于2，各频点带宽10MHz。天线圆极化增益大于6dB，仰角15°以上的轴比小于6dB,天线天顶到90°的增益落差大于12dB。

2 四臂螺旋天线的理论分析

分析四臂螺旋天线工作原理及辐射远场的方法有多种。A.Sharaiha提出了基于MEI积分公式的方法计算天线的阻抗及辐射远场[3]；Chen Chen应用矩量法研究了天线的辐射方向图及电流分布[4]；Cheng-Wei讨论了四臂螺旋天线的谐振模式及行波模式[5]。

Kilgus.C.C提出了一种等效方法来研究四臂螺旋天线的工作原理[6]。四臂螺旋天线可以看作是两股相互垂直于轴线的双臂螺旋线组成，其馈电相位相差90°。由于处在谐振状态，螺旋线上的电流分布近似认为是正弦分布，电流零点位于螺旋线中间。所以，其中一条双臂螺旋线可以看作是一根线偶极子及一根半环偶极子组成结构如图3所示。箭头表示电流流向，而中间虚线表示的电流Ip是圆环电流矢量之和。模型可以进一步等效简化如图4所示，螺旋线上的电流分布接近于方形的环偶极子。

图3 简化图1

图4 简化图2

小环偶极子的辐射场表达式为：

其中，ID为偶极子电流，IL为环偶极子电流，k=2π/λ，A 为环面积，L为偶极子长度，λ为工作波长，K1和K2为常数。

而最终四臂螺旋天线可以等效为两个相互垂直馈电相位相差90°的环偶极子的组合，其等效图如图5所示。

两条双臂螺旋线的辐射场表达式分别为：

图5 简化图3

由于两条双螺旋线正交馈电，所以α=π/2，通过场的叠加，其总场为：

上述方法可以很方便的去理解四臂螺旋天线的工作原理。

3 设计实例

在天线设计中考虑指标要求，本文采用四臂螺旋天线的实现形式。

螺旋天线用四条金属螺旋臂绕成。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：

其中，r0为锥形地面起始半径，△d为半径每圈的减少量，p为螺距，N为圈数，L为臂长。各参数由式15中计算得到。

依照上述理论设计了一种角锥四臂螺旋天线。

我们使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真，其模型如图6所示：

图6 角锥四壁螺旋天线模型

我们采用底端馈电的方式对天线进行馈电，端口之间馈电幅度相等，相位依次相差90°，实现天线圆极化。

为了实现天线天顶90°增益落差大于12dB,本文选取天线其中的两个频点，在天线底部增加了两个扼流槽，扼流槽的宽度为十分之一个波长，深度大概为四分之一个波长。扼流槽的模型如图7所示。

图8为角锥四臂螺旋天线的增益方向图，图9为天线的轴比图。从图8,9中可以看出，天线在各个频段上的圆极化增益都大于6dB，天线天顶到90°的增益落差均大于12dB。从图9中可以看出，天线的圆极化在仰角15°以上的轴比小于6dB

图7 天线扼流槽的示意图

图8 天线的仿真方向图

图9 天线的仿真轴比图

天线的驻波方向图如图10所示。

图10 天线的驻波

如图10所示，各频点的驻波都在2以下，满足设计指标的要求。

4 结论

本文设计了一种多频点角锥型四臂螺旋天线，结果表明该天线具有良好的增益特性和方向图特性，基本实现了天线的设计要求。

［1］J.D.Kraus,Antenna,New York:Mc Grall Hill,1988.Page(s)174-179

［2］C.C.Klilus,Multielement,Fractional Turn Helices,Antennas and Propagation,IEEE Transactions on 1968,16(4):499-500.

［3］Sharaiha,A;Terret,C.Analysis of quadrifilar resonant printedh elical antenna for mobile communications,Microwaves,Antennas and Propagation,IEE ProceedingsH Volume 140,Issue 4,Aug.1993 Page(s):269-273.

［4］Chen Chen;Fang Yang;ChenjiangGuo;Jiadong Xu.Analysis and design of a satellite-borne wide-beam quadrifilar helix antenna.Microwave Conference,2008.APMC 2008.Asia.Pacific.16-20 Dec.2008 Page(s):l-4.

［5］Cheng-Wei Lan;Jean-Fu Kiang;Quadfifilar helix antenna for GPS Applications;Networking,Sensing and Control,2004 IEEE International Conference on Volume1,2l-23 March 2004 Page(s):639-642 V01.1.

［6］Kilgus,C.;Multielement,Fractional Turn Helices;Antennas and Propagation,IEEE Transactions on Volume 16,Issue 4,Jul 1968Page(s):499-500.