宽带宽波束四臂螺旋天线的分析与设计

王果宏　赵迎超

(西安电子工程研究所　西安　710100)

0　引言

四臂螺旋天线由于易加工、良好的宽频带、宽波束特性，引起越来越多关注，被广泛应用于卫星通讯、全球定位系统以及其它无线通讯系统中。谐振式四臂螺旋天线由C.C.Kilgus首先提出和进行分析的[1]，通过优化设计可以产生一个良好的圆极化、宽波束方向图，实现半空域球面覆盖。

本文设计了一种宽带、宽波束谐振式四臂螺旋天线，并采用HFSS进行仿真计算，阻抗带宽大于50%，波束宽度大于150°。

1　谐振式四臂螺旋天线设计

1.1　基本理论[2][3]

谐振式四臂螺旋天线由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂的长度为四分之一波长的整数倍(Mλ/4，M为整数)，当M为奇数时，非馈电端开路；当M为偶数时，非馈电端短路。四根螺旋臂馈电电流相等，相位依次为0°、90°、180°和270°，用来实现良好的圆极化轴比，天线的结构参数可表示为：

(1)

1.2　天线设计

为了实现轴向辐射宽波束，螺旋直径取为D=0.2λ，轴向长度取为Lax=0.7λ，螺旋圈数取为N=1.5，由式(1)计算得到螺旋臂长度为Lele=1.25λ，为四分之一波长的奇数倍，馈电点位天螺旋线的下端，螺旋线的上端开路。为了实现左旋圆极化的辐射特性[5]，螺旋线的绕向与最大辐射方向成右手关系，馈电端相位按逆时针方向依次为0°，90°，180°，270°。

采用两级微带威尔金森功分器实现螺旋线馈电要求[6]，示意图如图2所示，为了提高端口隔离，采用在端口之间加隔离电阻的方法。

2　仿真计算结果

在HFSS仿真软件中建立天线仿真模型，如图3所示，仿真结果如图4，图5，图6所示。

在上面各图中，图4为天线驻波仿真结果，在整个频带内驻波小于1.4，驻波相对带宽为50%；图5为天线中频方向图仿真结果，主极化波束宽度大于150°，交叉极化大于20dB；图6为天线中频轴比方向图，在±90°范围内，轴比基本上都小于2dB。

3　结束语

本文首先对谐振式四臂螺旋天线的基本理论进行研究，经过仿真计算，设计出了一种宽带宽波束四臂螺旋天线，天线性能优异，可以满足工程应用的需求。

参考文献:

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

[2]程喆, 李英杰. 四臂螺旋天线研究与设计[J]. 科技视界, 2012, (4): 61-63.

[3]白旭东. 一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计[J]. 中国电子科学研究院学报, 2012, (1): 81-84.

[4]林昌禄, 聂在平. 天线工程手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002: 799～800.

[5]褚庆昕. 具有紧凑馈电网络的宽带四臂螺旋天线[J]. 电子学报, 2013, (4): 722-726.

[6]水孝忠. 一种S波段印刷四臂螺旋天线的分析与设计[J]. 微波学报, 2012, (8): 142-145.