用于5G通信的阻抗带宽共形四臂螺旋天线改进研究

何锦 商锋

摘 要：文章提出了一种有效改进阻抗带宽的共形印刷四臂螺旋天线。该天线在改进带宽方面进行了研究。在结构上每个辐射振子旁边添加一个寄生振子，分别以相同的长度、不同的宽度和螺旋角度绕制以减少振子间耦合，一宽一窄两个辐射臂底部进行相连接以用来增加带宽，馈电方式采用四端口同轴线馈电。仿真结果表明，平均增益在3.4～3.6 G之间为4.6 dBi，在3.4～3.6 G之间带宽达到600 MHz，回波损耗达到-28 dB。提出的天线具有宽阻抗带宽，高增益和小尺寸的特点，使其成为未来5G移动应用的自然选择。

关键词：四壁螺旋天线;共形;改善带宽;5G

0 引言

随着5G通信时代的来临，除了对信息的传输载体要求很高外，实现信息收发的天线也起到至关重要的作用，因此，对天线性能的要求也是越来越高。5G频谱中使用的天线，對其极化方式和天线的体积都有严格的要求，期望天线的体积尽可能的小[1]。四臂螺旋天线就是一种俯仰面宽波束宽轴比，方位面全向的圆极化天线，它被广泛应用于上述领域。现代通信系统对天线尺寸、带宽、波束宽度、轴比等方面提出了很高的要求。相对于其他螺旋天线，四臂螺旋天线具有平面体积小、定向圆极化性能好等优点[2]。特别是基于柔性材料所制成的印刷四壁螺旋天线更以其容易实现、加工准确度高等优点备受广大研究者的青睐。印刷共形天线由卷绕在介质柱上的微带线构成，微带基片一般选取厚度较薄的介质片或柔性材料。

传统意义上的轴向印刷四臂螺旋天线在其中心谐振频点附近相对带宽为2%～5%，这对单频点、单系统应用来说是足够的，但对多个频段、多个系统共用的天线来说，带宽则远远不够[3]。因此，展宽阻抗带宽的四臂螺旋天线越来越受到重视，如采用终端开路底馈四臂螺旋天线，能够将相对带宽扩展到10以上[4]，利用折合形状振子增加终端开路辐射臂的宽度，从而拓展印刷四臂螺旋天线的相对带宽，轴向模式可以达到30%[5]，将套筒天线原理和四臂螺旋天线相结合，形成套筒四臂螺旋[6]，将轴向模式频带宽度拓展到了3.5∶1，采用平面螺旋和柱面螺旋相结合的方式，还能将带宽拓宽到7∶1[7]。此外，如果能够实现多频段匹配，不仅能够很好地应用于多个系统，而且还能够在天线端形成对其他频段的隔离，有利于提高整个通信系统的抗干扰性能。然而，这些文章仅对天线辐射体的辐射性能进行了重点研究，实际上天线的馈电网络对辐射效率影响也很大，特别是馈电网络和辐射体连接部分，如果处理不当，会引起较大的插入损耗。由于前人学者所研究的四臂螺旋天线大多使用低频段，随着5G通信的发展，低频段的天线在应用上显然有很大的局限性[8]。

本文设计一种基于5G频段的共形四臂螺旋天线，在传统的四臂螺旋天线的单个辐射振子臂旁边在加上一路寄生辐射振子臂，并将两路辐射振子臂底部相连，通过调试两路辐射振子臂的宽度、长度和间距来达到改进带宽的目的。将印刷共形天线卷绕在介质柱上，通过HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真。最后仿真结果表明，该天线获得了约10.72%的扩展带宽。此外，在整个工作频带内可获得约4.6 dBi的稳定辐射增益。

1 天线设计与性能

文章所讨论的是共形四臂螺旋天线，其天线模型如图1（a）所示，整个模型由两种辐射振子组成，四个辐射振子臂和四个寄生振子组成，两种振子分别以相同的的长度、不同的宽度、一定的螺距按左手螺旋方式（拇指指向Z轴）绕制螺旋，辐射振子臂（高度H5=130 mm，宽度L1=12.68 mm）按35 deg绕制螺旋，寄生振子臂（高度H5=130 mm，宽度L2=4.82 mm）按16 deg绕制螺旋。相对而言，辐射振子比寄生振子宽度略大。两种振子的底部使用连接线（长度A=12 mm，宽度B=2 mm）连接在一起，4个馈电点（Port1，2，3，4）分别与辐射振子底部相连。图1（b）所示XOY平面上黑色圆点处为馈电点（半径R2=1.5 mm，高度H2=2 mm），探针的半径R3=0.45 mm，高度H3=4 mm，4个馈电点的馈电幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z轴）连续滞后90°。底部介质板使用介电常数为3.38的Rogers 4003（半径R1=24 mm，厚度     H2=2 mm）。介质板下面是材料为铝（半径R1=24 mm，厚度H1=4 mm）的金属接地板。天线采用底馈形式，四个馈电点的馈电幅度相等相位按右手螺旋方式（拇指指向Z轴）连续滞后90°。

天线各尺寸参数定义和相对数值如表1所示。天线采用左手螺旋方式绕制于圆柱体上，圆柱体使用名为FR4的介电材料，主要起支撑作用，其外半径R4=21 mm，内半径R5=20.8 mm，高度H4=132 mm，厚度W=0.8 mm，通过两侧的过孔焊接定型。然后，将底部功分网络板贴于圆柱底部，微带线垂直过渡部分焊接时使用一小片薄铜皮，弯折后分别焊接在曲绕部分和底部功分网络板上，以保证其良好接触，天线原型如图1（c）所示。

2 天线的仿真与实验结果

由于天线曲面结构较复杂，选择使用高频电磁仿真软件对该模型进行仿真计算。S11测量时使用矢量网络分析仪进行测试，测试结果如图2所示。方向图测试时使用64探头的3D暗室（SATIMO），暗室测试图如图3所示，方向图测试结果如图4—5所示。

上述天线的工作频率为3.2～3.8 GHz。图2和图4描述了最佳的S11曲线和辐射方向图，实线是模拟值，虚线是测量值。图2显示S11<-10 dB的阻抗带宽为3.4～3.6 GHz，实际测量结果优于仿真结果。当中心频率f0=3.5 GHz时，仿真结果S11为-28 dB，实际测量结果S11=-25 dB。S11仿真和测试值基本上匹配由仿真模型的理想性导致的差异。

图3是暗室测试图，图4是φ=0?方向的辐射方向图，图5是φ=90?方向的辐射方向图，其中实线为模拟值，虚线为测量值，并且测量数据低于模拟数据，这是因为在模拟中未考虑金属和馈线电缆的损耗。根据图4和图5，增益达到最大为4.6 dBi。

3 结语

在本文中，提出了一种改进带宽的共形四壁螺旋天线。该天线具有宽阻抗带宽，较高的增益和小尺寸等的特点，其中心频率为f0=3.5 GHz，由S11<-10 dB确定的仿真阻抗带宽高达3.4～3.6 GHz，最高辐射增益为4.6 dBi。该天线的仿真结果和测试结果吻合相对良好，实现了改进带宽的目标。结果表明，该天线可应用于5G通信系统中接收信号。

[参考文献]

[1]项阳，杨华，骆建华，等.基于共形馈电网络的新型双频四臂螺旋天线[J].微波学报，2015（1）：31-35.

[2]王德才，冯梅，陈波，等.一种小型化宽带宽波束平面四臂螺旋天线[J].现代雷达，2018（40）：69-72.

[3]王永强，雷振亚，李磊，等.一种RFID小型圆极化四臂螺旋天线[J].电子科技，2013（26）：47-49.

[4]SHARAIHA A，TERRET C，BLOT J P.Printed quadrifilar reso-nant helix antenna with integrated feeding network[J].Electronics Letters，1997（33）：256-257.

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[7]RADWAY M J，FILIPOVIC D S. Four-armed spiral-helix an-tenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters，2012（11）：236-239.

[8]樊際洲.小型化宽带宽波束四臂螺旋天线[J].信息通信，2017（7）：229-230.

（编辑 姚 鑫）