四臂螺旋天线设计与实现研究
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一
ｌ ３一
第ｌ ４ 期 ２ ０ ｌ ７ 年７ 月
ＮＯ．１ ４
无线 互联 科 技 ・ 无 线 天 地
Ｊ ｕｌ ｙ ，２ ０１ ７
０ 。 ， 且 大小相 等 。 仿 真结 果如 图３ 所 示。 １ ． ５ ７ ５ ＧＨ ｚ 。 天线的螺旋臂体积约为一般便携式通信接收天 ９
四臂螺旋天线 具备优 良的辐射特 性， 卫星导航领域
螺 旋火线和阿 壁米德螺旋天线 等。 天线 的输入 是一个端 口 应用较 多。 日 前通信领域实 小型化、 宽频带、 多频化研究与 开路或连接 电缆外导体， 另一端 ｒ ］ 连接 同轴 电缆内芯。 同轴 设计。 螺旋天线的天线丰体部分为４ 根长度均为 Ｍ 的螺旋 ４ 【 乜 缆馈 电时， 会发生 天线 内部电流泄漏到 电缆外皮现 象， 一
４ ２
时， 辐 射 模 式 为轴 向 模 ， 此 时 螺 旋 天 线最 火辐 射 方 向 与轴 线
本 文设 计的一 种小 型化 四 臂螺 旋 天线 ， 谐 振 频 率为
作者简介： 樊 际洲 （ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 男， 陕 西渭南 ， 硕士， 高级天线设计师； 研究方向： 宽带天线
Ｌ ＝ ～ √ （ １ ／ Ⅳ ！ ） （ 一 ） 一 ４
（ ４ ）
式（ ４ ） 中， 表示螺 旋天线 的螺旋轴 向长度， 单位 为ｍ ｍ： 表示螺旋天线螺旋半径， 位 为 ｍｍ； 当 为奇 数 时， Ａ ＝ Ｉ ： 当 为偶 数 时， Ａ ＝ ２ 。
表 示 螺 旋 天 线 臂 长度 ， 单位 为ｍｍ： Ｎ表 示 螺 旋 数 轴线 卡 ¨ 交９ ０ ０ ， 儿何形状 呈现 圆形且垂直于轴向的平面方 向 ￡ 图， 在轴 向平 面内的方 Ｉ 甸图 ８ 字形 状 ： 当直 径 Ｄ 一
圆极 化 特性
关键 词： 四臂螺旋天线； 陶瓷介质； 圆极化； 宽波 束
１ 螺 旋 天 线
方向一致； 当Ｄ＞ 时， 辐射 模式为 圆锥模 ， 方向图呈现 圆
２
１ ． １螺旋 天线的结构与几何特性
根据 蝶旋半 径的渐变 可分为锥体和柱体两 种。 按照 天线结 向辐 射 。
金 属 导 体 按 螺 旋状 绕 韦 ｌ Ｊ ， 形 成 天线 主体 结 构 ， 天线 形 状 锥形儿何形状， 此时方向图由单波束辐射呈圆锥 形的两 个力。 构形式， 一 般 分为 平 面螺 旋 天线 和 立 体 螺 旋 天 线 。 常 用 的儿 ２ 四臂螺旋天线结构和设 计 种 类 型主 要 有锥 螺 旋 天 线 、 多绕 轴 向模 螺 旋 天 线 、 平面 等 角
长为： ＝ （ Ｄ） 十
（ １ ）
（ ２ ）
轴 向尺 、 长度日为： Ｈ＝ ｎ Ｘ ａ ＝ ０ 。 时， 可 简 化为 线 型 天线 。
（ ３ ）
（ ａ ） 终端 开路结 构
（ ｂ ） 终端 短路结 构
当Ｘ ＝ ０ ， ａ ＝ ０ 。 时， 螺 线 天 线可 简化 为环 形 天线 ； 当Ｄ ＝ ０ ，
１ 所＿ ， Ｊ 。
态。 终端开路和终端短路 四臂螺旋天线结构如图２ 所示。
卜 ＿
入 ／ ４
（ ａ ） 螺 旋 天 线 模 犁 （ ｂ ） 单 嘲 螺 旋 线 尺 寸 笑 系
百度文库
入１ ２
图 １ 螺 旋 天 线 基 本 结 构 和 几何 特 性
螺距 角为 ： ａ ＝ ａ ｒ ｃ ｔ ｇ （ Ｘ ／ Ｋ Ｄ）
第ｌ ４ 期 ２ ０ １ ７ 年７ Ｊ
无 线 互 联 科 技
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｔ ｅＣｈｎｏｌ ｏｇＹ
ＮＯ． １ ４ Ｕｌ ｖ．２Ｏ１ ７
四臂螺旋天线设计与实现研究
樊 际洲
（ 广州海格通信集团股份有限公司， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ６ ３ ）
摘 要 ： 文章介绍了四臂螺旋天线的结构特性和几何尺寸、 螺旋模式； 设计了 一种小型四臂螺旋 天线， 采用巴伦平衡结构的自 相移馈电方式馈电， 将螺旋臂印刷在 高介电常数 陶瓷柱上 ， 减小了天线的体 积， 通过仿真分析， 该种天线具有良好的宽波束和
图２ 终 端 开 路 和终 端 短 路 四臂 螺 旋 天 线 结 构
Ｉ ２ 中， 为 天线螺距， Ｄ为螺旋直径 ， 为螺旋轴 长， ＂ 为 螺旋圈数。 天线结构尺 寸计算参考公式 为：
１ ． ２螺旋 天线辐射模 式分析
四臂 螺 旋 天 线 辐 射 特 性 受 天 线 结 构 的 影 响较 大 ， 螺 旋 直径 波 长 比 Ｄ ， 直径 Ｄ起 到 关 键 作Ｊ Ｅ ｝ Ｉ ， 决 定了辐 射 办 式 。 当 商径 Ｄ＜２ 时， 辐 射模 式 为法 向模 ， 螺 旋 天 线 最 大辐 射 方 向与
线的ｌ ／ ６ 。 加载基体介质为微波陶瓷介质柱， 介电常数为３ ６ ． ５ ，
损耗角＜０ ． ０ ０ ３ ， 轴心孔直径１ ． ４ ｍｍ， 柱体直径９ ． ９ ｍｍ， 高度 １ ９ ｍ ｍ … 天线的辐射柱体 由４ 条２ ／ ２ 的螺旋臂构成 ， 螺旋臂的
。
宽度 １ ． ８ ｍｗ ｌ ， 陶瓷柱轴向的螺旋绕数Ｎ ＝ ０ ． ５ 圈。 陶瓷柱下端 为巴伦部分， 实现顶端馈 电端口处等功率输出两路信号， 最 大限度消除外界环境干扰 ， 大小为１ 个套筒巴伦 ， 巴伦边缘 距 离同轴 电缆外导体２ ／ ４ 。 螺旋臂激励是 由同轴从陶瓷柱轴心 穿过的电缆提供， 同轴 电缆外导体与套筒巴伦底部相连接 。 四臂螺旋天线馈 电方式的设 ‘ ， 主要采用 自 相 移馈电方式 ， 即在天线顶部馈 电线 的内芯和外导体分别接到左右两侧相 连的螺旋臂组。 馈 电部分的同轴线内外导体焊接点采用不完 全对称焊接 的焊接方式 ， 目的是实现螺旋臂正交馈电， 这样 对称轴线 旋转 角度。 ３ 天线仿真与测试
…
般 在 天 线 馈 电 端 口处 安 置 商径 Ｒ ＝ ０ ． ８ —１ ． ５ 金属圆盘 ， 保证 臂， 取值为 （ １ ， ２ ， ． ． ． ， １ １ ） 。 天线非馈电端结构受 影响，
了大线的平衡 馈电。 蝶旋天线 基本结构 和儿何特性具体 如 为 偶 数 时 ， 火 线 的 非 馈 电端 短 路 ； 为 奇 数 时， 形 成 开 路 状
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第ｌ ４ 期 ２ ０ ｌ ７ 年７ 月
ＮＯ．１ ４
无线 互联 科 技 ・ 无 线 天 地
Ｊ ｕｌ ｙ ，２ ０１ ７
０ 。 ， 且 大小相 等 。 仿 真结 果如 图３ 所 示。 １ ． ５ ７ ５ ＧＨ ｚ 。 天线的螺旋臂体积约为一般便携式通信接收天 ９
四臂螺旋天线 具备优 良的辐射特 性， 卫星导航领域
螺 旋火线和阿 壁米德螺旋天线 等。 天线 的输入 是一个端 口 应用较 多。 日 前通信领域实 小型化、 宽频带、 多频化研究与 开路或连接 电缆外导体， 另一端 ｒ ］ 连接 同轴 电缆内芯。 同轴 设计。 螺旋天线的天线丰体部分为４ 根长度均为 Ｍ 的螺旋 ４ 【 乜 缆馈 电时， 会发生 天线 内部电流泄漏到 电缆外皮现 象， 一
４ ２
时， 辐 射 模 式 为轴 向 模 ， 此 时 螺 旋 天 线最 火辐 射 方 向 与轴 线
本 文设 计的一 种小 型化 四 臂螺 旋 天线 ， 谐 振 频 率为
作者简介： 樊 际洲 （ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 男， 陕 西渭南 ， 硕士， 高级天线设计师； 研究方向： 宽带天线
Ｌ ＝ ～ √ （ １ ／ Ⅳ ！ ） （ 一 ） 一 ４
（ ４ ）
式（ ４ ） 中， 表示螺 旋天线 的螺旋轴 向长度， 单位 为ｍ ｍ： 表示螺旋天线螺旋半径， 位 为 ｍｍ； 当 为奇 数 时， Ａ ＝ Ｉ ： 当 为偶 数 时， Ａ ＝ ２ 。
表 示 螺 旋 天 线 臂 长度 ， 单位 为ｍｍ： Ｎ表 示 螺 旋 数 轴线 卡 ¨ 交９ ０ ０ ， 儿何形状 呈现 圆形且垂直于轴向的平面方 向 ￡ 图， 在轴 向平 面内的方 Ｉ 甸图 ８ 字形 状 ： 当直 径 Ｄ 一
圆极 化 特性
关键 词： 四臂螺旋天线； 陶瓷介质； 圆极化； 宽波 束
１ 螺 旋 天 线
方向一致； 当Ｄ＞ 时， 辐射 模式为 圆锥模 ， 方向图呈现 圆
２
１ ． １螺旋 天线的结构与几何特性
根据 蝶旋半 径的渐变 可分为锥体和柱体两 种。 按照 天线结 向辐 射 。
金 属 导 体 按 螺 旋状 绕 韦 ｌ Ｊ ， 形 成 天线 主体 结 构 ， 天线 形 状 锥形儿何形状， 此时方向图由单波束辐射呈圆锥 形的两 个力。 构形式， 一 般 分为 平 面螺 旋 天线 和 立 体 螺 旋 天 线 。 常 用 的儿 ２ 四臂螺旋天线结构和设 计 种 类 型主 要 有锥 螺 旋 天 线 、 多绕 轴 向模 螺 旋 天 线 、 平面 等 角
长为： ＝ （ Ｄ） 十
（ １ ）
（ ２ ）
轴 向尺 、 长度日为： Ｈ＝ ｎ Ｘ ａ ＝ ０ 。 时， 可 简 化为 线 型 天线 。
（ ３ ）
（ ａ ） 终端 开路结 构
（ ｂ ） 终端 短路结 构
当Ｘ ＝ ０ ， ａ ＝ ０ 。 时， 螺 线 天 线可 简化 为环 形 天线 ； 当Ｄ ＝ ０ ，
１ 所＿ ， Ｊ 。
态。 终端开路和终端短路 四臂螺旋天线结构如图２ 所示。
卜 ＿
入 ／ ４
（ ａ ） 螺 旋 天 线 模 犁 （ ｂ ） 单 嘲 螺 旋 线 尺 寸 笑 系
百度文库
入１ ２
图 １ 螺 旋 天 线 基 本 结 构 和 几何 特 性
螺距 角为 ： ａ ＝ ａ ｒ ｃ ｔ ｇ （ Ｘ ／ Ｋ Ｄ）
第ｌ ４ 期 ２ ０ １ ７ 年７ Ｊ
无 线 互 联 科 技
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｔ ｅＣｈｎｏｌ ｏｇＹ
ＮＯ． １ ４ Ｕｌ ｖ．２Ｏ１ ７
四臂螺旋天线设计与实现研究
樊 际洲
（ 广州海格通信集团股份有限公司， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ６ ３ ）
摘 要 ： 文章介绍了四臂螺旋天线的结构特性和几何尺寸、 螺旋模式； 设计了 一种小型四臂螺旋 天线， 采用巴伦平衡结构的自 相移馈电方式馈电， 将螺旋臂印刷在 高介电常数 陶瓷柱上 ， 减小了天线的体 积， 通过仿真分析， 该种天线具有良好的宽波束和
图２ 终 端 开 路 和终 端 短 路 四臂 螺 旋 天 线 结 构
Ｉ ２ 中， 为 天线螺距， Ｄ为螺旋直径 ， 为螺旋轴 长， ＂ 为 螺旋圈数。 天线结构尺 寸计算参考公式 为：
１ ． ２螺旋 天线辐射模 式分析
四臂 螺 旋 天 线 辐 射 特 性 受 天 线 结 构 的 影 响较 大 ， 螺 旋 直径 波 长 比 Ｄ ， 直径 Ｄ起 到 关 键 作Ｊ Ｅ ｝ Ｉ ， 决 定了辐 射 办 式 。 当 商径 Ｄ＜２ 时， 辐 射模 式 为法 向模 ， 螺 旋 天 线 最 大辐 射 方 向与
线的ｌ ／ ６ 。 加载基体介质为微波陶瓷介质柱， 介电常数为３ ６ ． ５ ，
损耗角＜０ ． ０ ０ ３ ， 轴心孔直径１ ． ４ ｍｍ， 柱体直径９ ． ９ ｍｍ， 高度 １ ９ ｍ ｍ … 天线的辐射柱体 由４ 条２ ／ ２ 的螺旋臂构成 ， 螺旋臂的
。
宽度 １ ． ８ ｍｗ ｌ ， 陶瓷柱轴向的螺旋绕数Ｎ ＝ ０ ． ５ 圈。 陶瓷柱下端 为巴伦部分， 实现顶端馈 电端口处等功率输出两路信号， 最 大限度消除外界环境干扰 ， 大小为１ 个套筒巴伦 ， 巴伦边缘 距 离同轴 电缆外导体２ ／ ４ 。 螺旋臂激励是 由同轴从陶瓷柱轴心 穿过的电缆提供， 同轴 电缆外导体与套筒巴伦底部相连接 。 四臂螺旋天线馈 电方式的设 ‘ ， 主要采用 自 相 移馈电方式 ， 即在天线顶部馈 电线 的内芯和外导体分别接到左右两侧相 连的螺旋臂组。 馈 电部分的同轴线内外导体焊接点采用不完 全对称焊接 的焊接方式 ， 目的是实现螺旋臂正交馈电， 这样 对称轴线 旋转 角度。 ３ 天线仿真与测试
…
般 在 天 线 馈 电 端 口处 安 置 商径 Ｒ ＝ ０ ． ８ —１ ． ５ 金属圆盘 ， 保证 臂， 取值为 （ １ ， ２ ， ． ． ． ， １ １ ） 。 天线非馈电端结构受 影响，
了大线的平衡 馈电。 蝶旋天线 基本结构 和儿何特性具体 如 为 偶 数 时 ， 火 线 的 非 馈 电端 短 路 ； 为 奇 数 时， 形 成 开 路 状