四臂螺旋天线设计与实现研究

四臂螺旋天线的边界条件四臂螺旋天线的边界条件？听起来好像是一道很复杂的数学题，但其实它也能像我前几天去钓鱼的经历一样，充满了意外和小插曲。

大家可能觉得这俩完全没关系，但如果你认真想想，可能会发现，其实有些原理挺像的。

听我慢慢道来。

有一次，我去河边钓鱼，挑了一个看起来挺不错的地方。

水面平静，风也不大，我信心满满地准备扔下钓线。

结果，钓了好久，连条鱼影都没看到。

我忍不住看看旁边那些钓鱼的老哥们，他们看似懒洋洋地坐在那里，手中的钓竿却一点没闲着。

于是，我偷偷观察，发现他们都有一个小动作：不时地调整钓线的角度和位置。

原来，钓鱼是讲究“边界条件”的——也就是说，你不能光靠鱼竿放在那里等待，得考虑周围的环境、风向、鱼的活动规律和水深这些因素，才能精准“定位”。

回到四臂螺旋天线上，边界条件也是一个类似的概念。

四臂螺旋天线不是只靠一根天线杆就能完成工作的，它的设计和工作都受到周围环境的影响。

就像我钓鱼那样，如果你只管投竿，不管四周的变化，结果可能就跟我当时钓鱼一样——毫无收获。

比如，在实际设计四臂螺旋天线时，我们必须考虑到天线周围的电磁场、天线与地面或其他物体的关系，甚至还得预估天线的工作频段对辐射模式的影响。

每一条边界条件都像我钓鱼时的小调整，一点一点的细微变化，可能就能决定整个天线系统的效果。

别看它们很小，却可能对最终的工作效果产生巨大的影响。

如果你不认真处理这些细节，天线的性能可能就会大打折扣，甚至完全无法工作。

就像钓鱼一样，如果你不注意水深、饵料和天气变化，结果可能就会空手而归。

四臂螺旋天线的边界条件也是这样，讲求一个细致的平衡。

你可能觉得这些都不算大事，但正是这些不起眼的“小事”，才决定了最终的“大局”。

所以，在设计四臂螺旋天线时，要像钓鱼一样，不能掉以轻心。

每一步的调整都必须精准，才能保证最终的工作效果。

所以啊，四臂螺旋天线的边界条件，就像我去钓鱼的那次经历一样，虽然看起来是些不太引人注意的细节，但它们却是决定结果成败的关键。

宽带宽波束四臂螺旋天线的分析与设计王果宏;赵迎超【摘要】本文主要对谐振式四臂螺旋天线的基本理论进行研究,并设计了一个宽带宽波束左旋圆极化四臂螺旋天线.采用带隔离电阻的威尔金森功分器对四个螺旋臂进行馈电,实现要求的相位关系,仿真结果表明该天线具有良好的电气性能.【期刊名称】《火控雷达技术》【年(卷),期】2017(046)004【总页数】2页(P84-85)【关键词】四臂螺旋天线;宽波束;圆极化;威尔金森功分器【作者】王果宏;赵迎超【作者单位】西安电子工程研究所西安710100;西安电子工程研究所西安710100【正文语种】中文【中图分类】TN970 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)其中：Lax为轴向长度；Lele为螺旋臂的长度；r0为螺旋的半径；N为螺旋的圈数1.2 天线设计螺旋天线的辐射特征和螺旋的直径D与波长λ之比有很大关系[4]，当螺旋直径很小时在垂直于螺旋轴线的平面内有最大的辐射；当螺旋的直径增大至D/λ约为0.25～0.46时，天线在沿螺旋线的轴线方向具有最大辐射；当继续增大D/λ的值，则螺旋天线的方向图将变为圆锥形，如图1所示。

ZYX图1（b）印刷四臂螺旋天线设计示意图表1 结构尺寸参数表αβa105.82mm49°49.5°10.5mm1mm天线的仿真结果如下，图2所示为天线的电压驻波比阻抗带宽达到了28%（1.86为了考察天线的辐射特性，设计给天线四个端口进幅馈电。

仿真得到天线2.5GHz三个频点的辐射方向图如图502018.3port4port5port3port2hport12×hZ0Z0Z0Z0Z2Z1R1R2图5 馈电网络结构示意图图6 馈电网络实物照片图7 馈电网络回波损耗和传输系数实测结果0-5-10-15-20-25-30-35-40-45M a g n i t u d e （d B ）1.0 1.52.0 2.53.0 3.54.0Frequency （GHz ）S11S12S13S14S15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=Z0/2=35.35Ω，威尔金森功分、9为馈电网络各项参数实测结果以看出回波损耗小于-10dB 的范围为1.3GHz （1.86～2.5GHz ）；端口1到其它端口的传-6.6dB 左右，波动小于0.3dB 。

从图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）分别展示了该天线在1.86GHz 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同时馈电网络非理想的相位差导致了交叉极化隔离图10 实物测试图90 -60 -30 0 30 60 LHCP RHCPθ（deg ）φ=0°。

一种小型高精度四臂螺旋天线的设计张华福;李晓鹏;黄建忠;张照良【摘要】本文通过设计研究以空气作为介质,四轴对称,耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂的四臂螺旋天线,经过计算仿真,结果表明,这种耦合方式在一定程度上扩展了天线的阻抗带宽,使得天线获得了很宽的频带,在L1频段具有150MHz的带宽,使得天线能实现GPS:L1,GLONASS:L1,北斗:B1和Galileo:L1多星座卫星的接收,同时,这种天线有较宽的轴比带宽,实现了天线良好的圆极化性能和较强的抑制多路径效应的能力,并且有较高的增益.这种天线体积小,重量轻,易安装,为高精度无人机行业提供重要的研究价值.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】2页(P101,103)【关键词】四臂螺旋;宽频带;高精度;无人机;轴比;天线【作者】张华福;李晓鹏;黄建忠;张照良【作者单位】广州中海达卫星导航技术股份有限公司;广州中海达卫星导航技术股份有限公司;广州中海达卫星导航技术股份有限公司;广州中海达卫星导航技术股份有限公司【正文语种】中文全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，因此在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用［1， 2， 3］。

近年来，高精度无人机和手持高精度移动测量设备发展越来越快，而这些设备需要带宽宽，精度高，搜星能力强的天线来实现高精度测量的功能。

而传统的贴片微带天线由于体积大，质量重，使用安装复杂，很难满足移动高精度测量设备的需求。

然而，螺旋天线具有易加工，性能好的优点，越来越受到关注，kiglgas最先分析了螺旋天线的性能［4］。

但是传统的螺旋天线是由铜线或者其他金属绕制而成的。

加工工艺复杂，带宽很窄，天线的性能不能保证，而且一致性差［5， 6， 7］。

基于上述考虑，本文提出一款新型空气作为介质，四轴对称，耦合辐射臂加载底部耦合主辐射臂的四臂螺旋天线的设计，能满足GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座卫星的接收，并且具有较宽的增益带宽和轴比带宽，有较大的抗多路径能力，为高精度无人机行业和手持高精度移动测量行业的发展具有重大意义。

多频段卫星导航系统中的印制四臂螺旋天线全球卫星导航系统(GNSS)在社会的各个方面有着及其广泛的应用。

较单一的卫星导航系统而言,多模导航具有覆盖范围更广,导航精度更高,运行更为稳定性等优点,这使得多模导航成为未来卫星导航发展大趋势。

而天线作为卫星导航系统的重要组成部分,其性能好坏对导航系统的性能有较大的影响。

因此研究多模卫星导航天线就有重要的意义。

本文对四臂螺旋天线的发展历程与发展方向进行了综述,对目前运行和发展的卫星导航系统进行了介绍,在此基础上进一步的研究了多星座导航的原理,并对多星座导航对天线的要求进行了总结。

分析了四臂螺旋天线的结构和工作原理,并提出了一款双频带四臂螺旋天线,该天线采用空气加载,能运用于船载、车载等环境中使用。

论文的研究成果有以下几点：对四臂螺旋天线的小型化的解决方法进行了研究,接着对四臂螺旋天线的多频带与宽频带工作,以及馈电方式等问题进行了研究。

对多星座卫星导航对接收机天线的一般要求进行了归纳和总结,在此基础上提出了一种双频带工作的四臂螺旋天线的结构,同时设计了一款微带形式的宽频带工作的馈电网络。

设计了一种尺寸为：25mmx140mm,印制在厚度为0.5mm聚四氟乙烯板上的四臂螺旋天线,它能兼容接收GPS、GALILEO和BD2(“北斗2”)卫星的导航信号,天线具有双频工作的特性,该天线在底部进行馈电,馈电网络采用了缝隙耦合移相功分器、wilkinson功分器和schiffman移相器组合而成,并以微带形式设计实现,馈电网络板的半径为60mm,置于四臂天线下方,天线整体紧凑,便于加工。

从给出的仿真结果和测试数据来看,该天线阻抗带宽(VSWR<2)达到57%以上,在整个工作频段内天线增益高于-5dB,满足多频段卫星导航系统的要求。

同主题文章[1].徐琰,汪智萍. 圆锥螺旋天线的设计和仿真' [J]. 制导与引信.2004.(03)[2].高建平. 螺旋天线几何尺寸的优化设计' [J]. 沈阳航空工业学院学报. 2003.(03)[3].李融林，俞集辉，江泽佳. 计算曲线天线电流分布的一种新途径─参数形式下的B样条有限元法──Ⅱ：应用实例─多臂螺旋天线的电流分布' [J]. 电波科学学报. 1996.(02)[4].周晓明,赖声礼. 自然操作方式下螺旋天线手机电磁辐射的数值模拟' [J]. 微波学报. 2004.(02)[5].林敏,杨水根,龚铮权. 一种新型螺旋天线的设计' [J]. 电子工程师. 2000.(03)[6].林敏,杨水根,龚铮权. 新型谐振式螺旋天线的设计' [J]. 无线通信技术. 2000.(02)[7].钱小虎,董天临. 细螺旋天线的近场分析' [J]. 安全与电磁兼容. 2004.(06)[8].马学坤. 高效小型螺旋天线的设计' [J]. 成都师范高等专科学校学报. 2000.(02)[9].董楠,程受浩,刘华,徐德华. 超宽带螺旋天线的仿真设计' [J]. 制导与引信. 2005.(02)[10].周晓明,赖声礼,倪新蕾. 螺旋天线手机与30°人头模型系统的数值模拟' [J]. 电波科学学报. 2004.(03)【关键词相关文档搜索】：信息与通信工程; 多频段; 卫星导航; 双频带四臂螺旋天线; 圆极化; 宽带馈电网络【作者相关信息搜索】：大连海事大学;信息与通信工程;房少军;杨一民;。

一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计白旭东;曹岸杰;唐晶晶;闫鹏;李振海;金荣洪;耿军平;梁仙灵【摘要】根据移动卫星通信和卫星导航定位中对天线宽波束、圆极化和低仰角增益等要求，设计了一种新型的双频四臂螺旋天线，通过将工作于不同频段的两副结构类似的天线以内外共轴的方式形成一个整体来实现双频工作。

天线通过开槽线巴伦实现平衡馈电，利用四臂螺旋自身的结构特点构造了90°自相移结构，获得了较好的宽波束圆极化特性。

测试结果表明。

实测和仿真结果基本一致，天线在两个频段都实现了较好的宽波束圆极化特性。

%The satellite communication systems and satellite navigation systems usually require the anten- na to provide wide beam, circular polarization and high gain at low elevation. Based on these needs, a new type of dual-band wide-beam quadrifilar helix antenna is designed. The available dual-band is a- chieved by putting two similar antenna structures operated at different frequency bands in an inner and outer coaxial way, and fed by a split coax balun. A 90° seff-phased structure is formed through the quadrifilar helix characteristic to obtain a wide beam and good circular polarization performance. Experi- mental results of the fabricated antenna show that, the measured results are consistent with the simulated ones, and the antenna can provide good wide-beam circular polarization characteristics in both frequency bands.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2012(007)001【总页数】4页(P81-84)【关键词】宽波束;四臂螺旋天线;90°自相移;巴伦【作者】白旭东;曹岸杰;唐晶晶;闫鹏;李振海;金荣洪;耿军平;梁仙灵【作者单位】上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240;上海交通大学电子工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN823.310 引言近年来，在军事和民用领域中，卫星导航定位和移动卫星通信得到了越来越广泛的应用，在工作生活中起到了越来越重要的作用。