寬帶寬波束四臂螺旋天線的分析與設(shè)計(jì)

王果宏　趙迎超

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

四臂螺旋天線由于易加工、良好的寬頻帶、寬波束特性，引起越來越多關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、全球定位系統(tǒng)以及其它無線通訊系統(tǒng)中。諧振式四臂螺旋天線由C.C.Kilgus首先提出和進(jìn)行分析的[1]，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生一個(gè)良好的圓極化、寬波束方向圖，實(shí)現(xiàn)半空域球面覆蓋。

本文設(shè)計(jì)了一種寬帶、寬波束諧振式四臂螺旋天線，并采用HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，阻抗帶寬大于50%，波束寬度大于150°。

1　諧振式四臂螺旋天線設(shè)計(jì)

1.1　基本理論[2][3]

諧振式四臂螺旋天線由四根螺旋臂組成，每根螺旋臂的長度為四分之一波長的整數(shù)倍(Mλ/4，M為整數(shù))，當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，非饋電端開路；當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，非饋電端短路。四根螺旋臂饋電電流相等，相位依次為0°、90°、180°和270°，用來實(shí)現(xiàn)良好的圓極化軸比，天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可表示為：

(1)

1.2　天線設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)軸向輻射寬波束，螺旋直徑取為D=0.2λ，軸向長度取為Lax=0.7λ，螺旋圈數(shù)取為N=1.5，由式(1)計(jì)算得到螺旋臂長度為Lele=1.25λ，為四分之一波長的奇數(shù)倍，饋電點(diǎn)位天螺旋線的下端，螺旋線的上端開路。為了實(shí)現(xiàn)左旋圓極化的輻射特性[5]，螺旋線的繞向與最大輻射方向成右手關(guān)系，饋電端相位按逆時(shí)針方向依次為0°，90°，180°，270°。

采用兩級(jí)微帶威爾金森功分器實(shí)現(xiàn)螺旋線饋電要求[6]，示意圖如圖2所示，為了提高端口隔離，采用在端口之間加隔離電阻的方法。

2　仿真計(jì)算結(jié)果

在HFSS仿真軟件中建立天線仿真模型，如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4，圖5，圖6所示。

在上面各圖中，圖4為天線駐波仿真結(jié)果，在整個(gè)頻帶內(nèi)駐波小于1.4，駐波相對(duì)帶寬為50%；圖5為天線中頻方向圖仿真結(jié)果，主極化波束寬度大于150°，交叉極化大于20dB；圖6為天線中頻軸比方向圖，在±90°范圍內(nèi)，軸比基本上都小于2dB。

3　結(jié)束語

本文首先對(duì)諧振式四臂螺旋天線的基本理論進(jìn)行研究，經(jīng)過仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)出了一種寬帶寬波束四臂螺旋天線，天線性能優(yōu)異，可以滿足工程應(yīng)用的需求。

參考文獻(xiàn):

[1]Charles C. Kilgus. Resonnat quadrifilar helices[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1969(17): 349-351.

[2]程喆, 李英杰. 四臂螺旋天線研究與設(shè)計(jì)[J]. 科技視界, 2012, (4): 61-63.

[3]白旭東. 一種新型雙頻寬波束四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2012, (1): 81-84.

[4]林昌祿, 聶在平. 天線工程手冊(cè)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002: 799～800.

[5]褚慶昕. 具有緊湊饋電網(wǎng)絡(luò)的寬帶四臂螺旋天線[J]. 電子學(xué)報(bào), 2013, (4): 722-726.

[6]水孝忠. 一種S波段印刷四臂螺旋天線的分析與設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2012, (8): 142-145.