摘 要：目前，印刷四臂螺旋天线可以广泛的应用于诸如移动卫星通讯，广播卫星系统和全球定位系统等多种系统中。然而，对于这些系统应用而言，传统的印刷四臂螺旋天线的带宽已不能满足它们的需求。因此，本文设计一种新型的印刷四臂螺旋天线。展示了一种渐变辐射臂宽度和寄生短路臂相结合的宽带技术。同时本文提出了一种基于平行双线的功分馈电网络，有效的减小了传统四臂螺旋天线馈电网络的尺寸。实测结果表明该天线的工作带宽达到了28%（1.86～2.5GHz）以上。

关键词：宽带天线；圆极化；印刷四臂螺旋天线

中图分类号：TN823.31 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0048-06

Design of Broadband Folded Tapered Printed Quadrifilar Helical Antenna

WANG Chen

（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Abstract：Today the printed quadrifilar helical antenna（PQHA）can be widely applied to many applications such as mobile satellite communications，broadcasting satellite systems and global positioning systems. Nevertheless，the bandwidth of a conventional PQHA could be insufficient for applications. A new PQHA design is investigated in this paper. A technique of Increasing the bandwidth of the PQHA by modifying the wire width and adding a shorted parasitic helix is presented. And a power divider based on double-sided parallel striplines（DSPSL）is proposed to reduce the size of the conventional feeding network. Experimental results show that the bandwidth can reach more than 28%（1.86-2.5GHz）.

Keywords：broadband antenna；circular polarization；printed quadrifilar helical antenna（PQHA）

0 引 言

近年來，印刷四臂螺旋天线在各种系统中的应用受到广泛关注，例如移动卫星通讯系统、广播卫星系统和全球定位系统等。它具有低成本、轻重量、波束宽以及良好的圆极化性能等突出的特点。但是，传统的印刷四臂螺旋天线一般带宽较窄，无法满足许多应用的需求[1-3]。

有文献报道[4]，通过逐渐改变螺旋臂形状来增加阻抗带宽，最终得到一个双频工作的圆极化天线，工作在L频段的带宽仅为7%，在S频段的带宽为5%。

宋璐等[5]设计了一种双频自相移式四臂螺旋天线，该天线可以进行1.2GHz和1.8GHz双频通信，各个频段的带宽约为60MHz。

张继龙等[6]设计了一种用于卫星定位系统的宽波束圆极化天线，该天线的带宽为12%（2.3～2.6GHz）。

Bhandari等[7]通过改变辐射臂形状设计了一种小型化四臂螺旋天线，但带宽只有7.83%。

因此，如何保留四臂螺旋天线宽波束的特点，同时保持展宽工作带宽就成为研究的重点。而且从既往研究文献[7]中可以看出，传统的四臂螺旋天线馈电网络尺寸较大，因此设计小尺寸的功分馈电网络也成为工程实现中的重要目标。本文提出了一种新的印刷四臂螺旋天线，以期展宽工作频带。

1 印刷四臂螺旋天线设计

如图1所示，印刷四臂螺旋天线设计示意图是由镀有金属螺旋臂的柔性介质（介电常数为2.1，厚度为0.2mm）卷曲而成。卷曲周长C约为0.6λ0（λ0为中心工作频率2.2GHz的波长）。射频信号先通过馈电点传导到渐变主辐射臂（初始宽度为a），再通过顶部宽度为d的微带线传输到宽度为b的寄生短路臂，最终回到天线底部接地。通过调整寄生短路臂的尺寸可以使寄生短路臂产生的新谐振点接近主辐射臂谐振点，从而达到展宽工作带宽的目的。主辐射臂的渐变形式使得表面电流变化平缓，对天线带宽的增加也有一定作用。采用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，得到优化后的尺寸参数如表1所示。

天线的仿真结果如下，图2所示为天线的电压驻波比，从图中可以看出，阻抗带宽达到了28%（1.86～2.5GHz）。

为了考察天线的辐射特性，设计给天线四个端口进行相差90°的等幅馈电。仿真得到天线在1.86GHz、2.2GHz、2.5GHz三个频点的辐射方向图如图3所示。从图3中我们可以看出该天线达到了170°以上的3dB波瓣宽度。在理想馈电情况下，天线法线方向的交叉极化隔离度均达到57dB以上，说明轴比带宽完全可以覆盖1.86GHz至2.5GHz的工作频带，具有良好的圆极化特性。图4为天线法线方向增益仿真结果，可以看出天线法向增益均在3.4dBic以上。

2 小型化馈电网络设计

本研究利用平行双线结构[8]设计了如图5所示的一分四路移相馈电网络。

从图中可以看出深色和浅色的电路分别位于厚度为2×h的介质两侧，且尺寸一致。位于介质中间的是金属层将平行带线过渡为两个同结构的反相微带线。射频信号从port1输入到平行带线，再传输到上下两个反相微带线，最后通过威尔金森功分器传输到其它4个端口，形成一分四且相位差90°的馈电网络。采用奇偶模法[9]可以得到每一部分的特性阻抗。输入和输出端的特性阻抗为Z0=50Ω，反相微带线的特性阻抗为Z1=Z0/=35.35Ω，威尔金森功分器的阻抗变换段特性阻抗为Z2=Z0×=70.7Ω，隔离电阻为R1=Z0/2=25Ω，R2=Z0×2=100Ω。该馈电网络所使用的介质介电常数为10.1，厚度为2×h=3mm，尺寸为40mm×40mm。图6为馈电網络实物照片。

图7、8、9为馈电网络各项参数实测结果。从图7中可以看出回波损耗小于-10dB的范围为1.3GHz～3.5GHz。在工作带宽内（1.86～2.5GHz）；端口1到其它端口的传输系数为-6.6dB左右，波动小于0.3dB。从图8可以看出，在工作频率范围内端口2与其它3个输出端口的隔离度均大于13dB。从图9可以看出，在工作频率范围内4个输出端口之间的相位差两两相差90°左右，随频率偏移小于13°。

3 天线实测电性能

最后把加工的馈电网络和印刷四臂螺旋天线连在一起进行实物测试，实物照片如图10所示。

图11展示了天线实测的电压驻波比，可以看出，在1.8GHz到2.6GHz的频率范围内，电压驻波比小于2，相对带宽达到了36%。

图12（a～c）分别展示了该天线在1.86GHz，2.2GHz和2.5GHz的实测辐射方向图。可以看出该天线在工作频带内具有良好的宽波束特性，半功率波瓣宽度均大于135°。由于馈电网络的引入，馈电网络的不对称性致使方向图产生了倾斜。同时馈电网络非理想的相位差导致了交叉极化隔离度和轴比的恶化。图13给出了实测的天线法向轴比曲线。可以看出虽然轴比有所恶化，但3dB轴比带宽依然达到了34%（1.81～2.56GHz）。图14显示1.86GHz到2.5GHz之间的法向辐射增益都在2.8dBic以上，这使得天线能有效的接受到较宽方向上的信号。

4 结 论

本文提出了一种弯折渐变印刷四臂螺旋天线和小型化馈电网络，采用辐射臂宽度渐变与寄生短路臂相结合的方法，极大地改善了传统印刷四臂螺旋天线工作带宽较窄、馈电网络尺寸较大的缺点。同时提出的平行双线功分馈电网络大大减少了四臂螺旋天线馈电网络的尺寸，展现了良好的性能。最终得到的四臂螺旋天线工作带宽达到了28%以上。该天线具有良好的圆极化增益及宽波束特性，可以用于多种通讯系统。而如何优化馈电网络结构，改善不对称性是未来的研究重点。

参考文献：

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[3] Alsawaha H，Safaai-Jazi A. New design for ultra-wideband hemispherical helical antennas [C].// Antennas and Propagation Society International Symposium，IEEE，2009：1-4.

[4] LOUVIGNE JC，SHARAIHA A. Broadband tapered printed quadrifilar helical antenna [J]. Electron Lett，2001，37（15）：932.

[5] 宋璐，常勇猛，丁思宇，等.一种船用BDS/GPS双频四臂螺旋天线 [J].科技视界，2017（26）：16-17.

[6] 张继龙，钱祖平，卢春兰.一种用于卫星定位系统的宽波束圆极化天线 [J].中国电子科学研究院学报，2007，23（6）：620-622.

[7] Bhandari B，Gao S，Brown T. Meandered Variable Pitch angle Printed Quadrifilar Helix Antenna [C].// Antennas & Propagation Conference，2009. LAPC 2009. Loughborough. IEEE，2009：325-328.

[8] CHEN J-X，CHIN CHK，LAU KW，et al. 180°out-of-phase power divider based on double-sided parallel striplines [J]. Electron Lett，2006，42（21）：1229.

[9] CHIU L，YUM TY，XUE Q，et al. A wideband compact parallel-strip 180/spl deg/wilkinson power divider for push-pull circuitries [J]. Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2006，1（1）：49-51.

作者简介：王宸（1985-），男，汉族，陕西汉中人，工程师，博士。研究方向：航空通信系统射频微波技术。