隨著信息化時(shí)代的來臨，衛(wèi)星通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及其相關(guān)應(yīng)用向大容量、多功能、多頻段、超寬帶、小型化方向發(fā)展，移動(dòng)衛(wèi)星通信中的天線需要具有寬波束、寬頻帶、圓極化等特性。諧振式四臂螺旋天線具有寬波束、優(yōu)良的廣角圓極化特性、半球形輻射方向圖等性能，使其成為常用的衛(wèi)星通信天線之一。

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的印刷式四臂螺旋天線，傳統(tǒng)意義上的四臂螺旋天線它在諧振點(diǎn)附近帶寬較窄，為此，本文在四臂螺旋天線每一條輻射臂的基礎(chǔ)上再寄生兩條輻射臂以增寬頻帶寬度，使用AnsoftHFSS軟件進(jìn)行建模，對(duì)其各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并加工制作了天線實(shí)物，進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明，天線的3dB軸比寬度為150°，天線的3dB波束寬度為136°，在1980-2010MHz、2170-2200MHz頻率范圍內(nèi)駐波比都小于2，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果基本一致。相對(duì)于常用的圓柱形螺旋天線，方形結(jié)構(gòu)可以很好的和手持設(shè)備契合，而且具有更高的輻射效率。

1.天線結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)如下圖1所示，當(dāng)臂長(zhǎng)為λ/4的偶數(shù)倍時(shí)，則非饋電端短路，當(dāng)臂長(zhǎng)為λ/4的奇數(shù)倍時(shí)，則非饋電端開路。螺旋臂一圈周長(zhǎng)L1、螺旋天線軸長(zhǎng)L2，螺旋直徑D、螺旋圈數(shù)N、節(jié)距S之間的關(guān)系為：

本文所設(shè)計(jì)的四臂螺旋天線基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。輻射臂由LDS技術(shù)雕刻到ABS材料上，主輻射臂由四條長(zhǎng)度略短于4 *λ/4的金屬條帶組成，其寬度為a1。寄生輻射臂由八條長(zhǎng)度略長(zhǎng)于4*λ/4的金屬條組成，其寬度為w1，其中在天線的非饋電端將寄生輻射臂短路，饋電端將主輻射臂和寄生輻射臂相連并連接同一個(gè)饋電點(diǎn)，這樣會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)諧振點(diǎn)，調(diào)節(jié)主輻射臂和寄生輻射臂的長(zhǎng)度使它們諧振在所需要的頻段內(nèi)。底部用同軸線進(jìn)行饋電，同軸線連著一個(gè)一分四的移相器，四個(gè)端口之間幅度相等，相鄰端口之間相位90°相差，實(shí)現(xiàn)天線圓極化。

圖 2 天線仿真模型

2  天線仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1  天線仿真及分析

利用Ansoft 公司的電磁仿真軟件HFSS 軟件進(jìn)行了仿真，并利用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后天線的主要參數(shù)尺寸為：方形螺旋天線邊長(zhǎng)a0=12.5mm，螺距S=16.8mm，螺旋圈數(shù)N=1.25，升角α=。主輻射臂寬度a1=2.3mm，寄生輻射臂寬度w1= 1.5mm。下圖3是仿真的回波損耗圖，天線的諧振點(diǎn)落在所設(shè)計(jì)的頻段內(nèi)。在最低點(diǎn)回波損耗為-23dB，天線的上行10dB阻抗帶寬為3.3%，絕對(duì)帶寬為66MHz。天線的下行10dB阻抗帶寬2.5%，絕對(duì)帶寬為54MHz。

圖3 天線的回波損耗圖

圖4是天線在中心頻點(diǎn)2.09GHz處的三維輻射方向圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線的實(shí)際增益可以達(dá)到4.2dBi，且方向圖繞z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。圖5是天線在中心頻點(diǎn)2.09GHz處仿真的左旋、右旋增益方向圖，天線的左、右旋極化隔離度為45dB，天線在68°范圍內(nèi)增益都大于3dBi。