四臂螺旋天線研究與設計

程 喆 李英杰

(1.中國電子科技集團第二十研究所 陜西 西安 710068；2.西安電子科技大學 陜西 西安 710071)

0 引言

J.D.Kraus第一次發(fā)現了螺旋結構天線，并為螺旋天線的應用與發(fā)展做出了重大貢獻[1]。典型的螺旋天線一般為圓柱形，通常由金屬絲纏繞而成，其結構如圖1所示。螺旋天線結構的空間特征參量有三個：螺旋高度、螺距和直徑。

圖1 螺旋天線結構與方向圖

螺旋天線的直徑d與波長λ的比值不同，其對應的方向圖也不同。當 d/λ＜0.18 時，方向圖如 1（c）所示，當 0.25＜d/λ＜0.46時，方向圖如圖 1（b）所示，當 d/λ≈1時，方向圖如圖 1（c）所示。

C.C.Kilgus在1968年提出了諧振式四臂螺旋結構天線[2]，典型結構如圖2所示。

它由四根螺旋臂組成，每根的長度為四分之一波長的整數倍。四根螺旋臂饋電端的電流幅度相等，相位依次相差90°，這就要求饋電網絡在滿足功率分配的同時，還要考慮到相移條件限制。

由于四臂螺旋天線具有心形方向圖、良好的前后比及優(yōu)異的寬波束圓極化特性，十分適合用作衛(wèi)星定位系統的接收天線。

圖2 四臂螺旋天線

1 天線的設計要求

天線要求為右旋圓極化，工作頻率為L波段多頻點，天線的電壓駐波比（VSWR）小于2，各頻點帶寬10MHz。天線圓極化增益大于6dB，仰角15°以上的軸比小于6dB,天線天頂到90°的增益落差大于12dB。

2 四臂螺旋天線的理論分析

分析四臂螺旋天線工作原理及輻射遠場的方法有多種。A.Sharaiha提出了基于MEI積分公式的方法計算天線的阻抗及輻射遠場[3]；Chen Chen應用矩量法研究了天線的輻射方向圖及電流分布[4]；Cheng-Wei討論了四臂螺旋天線的諧振模式及行波模式[5]。

Kilgus.C.C提出了一種等效方法來研究四臂螺旋天線的工作原理[6]。四臂螺旋天線可以看作是兩股相互垂直于軸線的雙臂螺旋線組成，其饋電相位相差90°。由于處在諧振狀態(tài)，螺旋線上的電流分布近似認為是正弦分布，電流零點位于螺旋線中間。所以，其中一條雙臂螺旋線可以看作是一根線偶極子及一根半環(huán)偶極子組成結構如圖3所示。箭頭表示電流流向，而中間虛線表示的電流Ip是圓環(huán)電流矢量之和。模型可以進一步等效簡化如圖4所示，螺旋線上的電流分布接近于方形的環(huán)偶極子。

圖3 簡化圖1

圖4 簡化圖2

小環(huán)偶極子的輻射場表達式為：

其中，ID為偶極子電流，IL為環(huán)偶極子電流，k=2π/λ，A 為環(huán)面積，L為偶極子長度，λ為工作波長，K1和K2為常數。

而最終四臂螺旋天線可以等效為兩個相互垂直饋電相位相差90°的環(huán)偶極子的組合，其等效圖如圖5所示。

兩條雙臂螺旋線的輻射場表達式分別為：

圖5 簡化圖3

由于兩條雙螺旋線正交饋電，所以α=π/2，通過場的疊加，其總場為：

上述方法可以很方便的去理解四臂螺旋天線的工作原理。

3 設計實例

在天線設計中考慮指標要求，本文采用四臂螺旋天線的實現形式。

螺旋天線用四條金屬螺旋臂繞成。在螺旋臂的一端饋電，饋電電流幅度相等，相位依次相差90。當臂長為1/4波長的奇數倍時，臂的另一端開路，而臂長為1/4波長的偶數倍時，另一端短路。天線螺旋臂的直角坐標方程如下：

其中，r0為錐形地面起始半徑，△d為半徑每圈的減少量，p為螺距，N為圈數，L為臂長。各參數由式15中計算得到。

依照上述理論設計了一種角錐四臂螺旋天線。

我們使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真，其模型如圖6所示：

圖6 角錐四壁螺旋天線模型

我們采用底端饋電的方式對天線進行饋電，端口之間饋電幅度相等，相位依次相差90°，實現天線圓極化。

為了實現天線天頂90°增益落差大于12dB,本文選取天線其中的兩個頻點，在天線底部增加了兩個扼流槽，扼流槽的寬度為十分之一個波長，深度大概為四分之一個波長。扼流槽的模型如圖7所示。

圖8為角錐四臂螺旋天線的增益方向圖，圖9為天線的軸比圖。從圖8,9中可以看出，天線在各個頻段上的圓極化增益都大于6dB，天線天頂到90°的增益落差均大于12dB。從圖9中可以看出，天線的圓極化在仰角15°以上的軸比小于6dB

圖7 天線扼流槽的示意圖

圖8 天線的仿真方向圖

圖9 天線的仿真軸比圖

天線的駐波方向圖如圖10所示。

圖10 天線的駐波

如圖10所示，各頻點的駐波都在2以下，滿足設計指標的要求。

4 結論

本文設計了一種多頻點角錐型四臂螺旋天線，結果表明該天線具有良好的增益特性和方向圖特性，基本實現了天線的設計要求。

［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.