四臂螺旋天线具有良好的圆极化辐射方向图，良好的低仰角增益，且具有结构简单紧凑的优点，在通信、导航等领域具有广泛的应用。针对传统四臂螺旋天线一般由金属线绕制而成，或者通过柔性基板印制后卷成圆柱形或者圆锥形所带来的复杂工艺问题，本文采用3D打印实现了一款轻量化小型化的介质镂空型圆极化四臂螺旋天线。天线采用多馈点设计，保证天线相位中心和几何中心的重合，测试结果表明在1.59 GHz的轴比小于1.5 dB，增益为1.68 dBi。该四臂螺旋天线具有潜在的实际应用价值。

四臂螺旋天线，圆极化，轴比，多馈点

Yulei Xue^*, Weiping Huang

School of Information Science and Engineering, Shandong University, Qingdao Shandong

Received: Nov. 7^th, 2023; accepted: Dec. 12^th, 2023; published: Dec. 20^th, 2023

The four-arm helical antenna has the advantages of favorable circular polarization radiation pattern, good low elevation gain, and boasts a simple compact structure. This makes it broadly applicable in areas such as communication and navigation. In view of the complicated processing technological problems caused by the traditional four-arm helical antenna which is usually wound by metal wire or printed by flexible substrate and then rolled into a cylinder or cone shape. In this paper, a lightweight and miniaturized dielectric hollow circular polarization four-arm helical antenna is designed and realized by using 3D printing. The antenna adopts a multi-feed point design to ensure the coincidence of the phase center and the geometric center of the antenna. The experimental results show that in a working frequency of 1.59 GHz, the axial ratio is less than 1.5 dB, and the gain is about 1.68 dBi. The four-arm helical antenna has potential practical application value.

Keywords:Four-Arm Helical Antenna, Circular Polarization, Axial Ratio, Multi-Feed Point

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随着人们对通信和定位需求的日益增加，全球卫星导航系统近年来不断发展，在军事和民用方面都已被广泛应用。相比于传统无线电定位，卫星导航系统具有定位精度高、响应快、覆盖范围广和全天时的突出优点，可为用户提供准确的三维坐标信息。在卫星导航系统中，测控天线用于接收地面站发射给航天器的遥控信号，以及向地面站发射航天器的遥测信号，发挥着无可替代的重要作用。

测控天线通常安装在卫星表面，多采用收发共用模式，要求具有半空间波束覆盖 [ 1 ] 。对于卫星导航天线来说，需要它具有良好的接收特性和辐射模式，同时满足卫星的接收频段。因此在天线的选择上，必须需要低仰角接收电磁波的能力，使其可以接收上半球面的来波。与线极化辐射相比，圆极化可以有效抑制雨雾干扰和减小多径反射，因此测控天线的辐射模式为圆极化，天线的工作带宽需全面覆盖所需要的卫星工作频段。

一般卫星导航频段都比较窄，因此通常选用螺旋天线 [ 1 ] - [ 11 ] 、微带天线和振子天线作为卫星导航接收天线。螺旋天线在1947年已有报道 [ 2 ] 。螺旋天线如四臂螺旋天线具有波束宽、增益高、尺寸小、结构紧凑等优点，在北斗与GPS卫星导航接收机 [ 3 ] 以及箭载天基遥测系统 [ 4 ] 等遥感、导航、通信中具有广泛应用。 [ 1 ] 设计了一种宽波束宽角轴比四臂螺旋天线。 [ 4 ] 设计了一种箭载天基遥测系统应用的双臂螺旋天线。 [ 8 ] 设计了一种LTCC圆极化螺旋天线阵列，在满足小尺寸的同时，增益达到14 dBi。 [ 10 ] 设计了一种宽带圆极化印刷螺旋天线，其相对带宽为40.3%，最大增益为6.4 dBi。近年来，新的螺旋天线比如蛇形结构的全向圆极化螺旋天线 [ 5 ] ，方形四臂缝隙螺旋天线 [ 6 ] ，圆极化法向模反转螺旋天线 [ 7 ] ，多模螺旋天线 [ 11 ] 等不断涌现。随着越来越多的卫星测控系统增加了在轨高速数据传输的功能，对测控天线不仅要求具有宽波束，还要求有较高的主向增益，同时为减小星表复杂电磁环境导致的同旋矢量叠加，还要求测控天线具有优异的圆极化性能。上世纪90年代，欧洲航天局(ESA)研制的“阿丽亚娜4”运载火箭就采用三分集右旋圆极化天线，将低噪声放大器和天线集为一体。四臂螺旋天线采用自相位馈电方式，通过调整两对正交螺旋线的长度，使其输入导纳分别呈感性和容性，从而将馈电相位差调整为90度，使天线形成圆极化辐射特性。

随着无线通信技术的发展，天线结构越来越复杂，对加工精度要求越来越高，传统的天线制作方法已经无法满足当今天线设计制造的要求。3D打印技术因具有环保、生产周期短和复杂结构一体化成形等优点，为现代微波器件加工制作提供了一个良好的平台 [ 12 ] - [ 18 ] 。在计算机的辅助下，通过连续打印材料层来创建三维物体，3D打印技术可以精确、快速制作出任意的天线结构，因此在航空航天等领域得到广泛应用。目前，这种增材制造技术已用于加工微带天线、喇叭天线 [ 12 ] 和宽频龙勃透镜天线 [ 13 ] 等。 [ 14 ] 采用选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)一体化制造成形技术制造了四臂螺旋天线； [ 18 ] 制造了毫米波宽带喇叭天线阵列。

本文利用四臂螺旋天线结构的高度对称性、优良的圆极化辐射特性、可接收低仰角电磁波等突出优点，结合3D打印技术的制造优势，设计制作了一个新型小型化、轻量化的介质内部镂空的圆极化四臂螺旋天线，其中心频率为1.59 GHz，0度轴比仅为0.019 dB，增益可达1.78 dBi，实物尺寸为 0.13 λ 0 × 0.11 λ 0 。

使用基于积分方程的数值分析方法对四臂螺旋天线进行分析，相关的参数和变量定义如图1所示。假定螺旋臂上的电流为正弦分布，此时，电流峰值点位于馈电点及终端，而在中间点电流最小。图中辐射单元1的总辐射场的 φ 分量为：

E φ 1 = − j ω μ e − j k r 4 π r ∫ l = 0 l = λ / 2 i φ e j k r ′ cos φ d l (1)

如果用 α 作为积分变量，由图1可得：

d l = r 0 cos β d α (2)

图1. 螺旋天线分析参数定义

将式(2)带入式(1)得：

E φ H = − j ω μ r 0 e − j k r 4 π r cos β ∫ 0 2 N π i ( φ , α ) e j k r ′ cos φ d α (3)

因为每个单元的电流幅度可表示为：

i φ ( α ) = I 0 cos ( k r 0 ) cos ( α 2 N ) cos β (4)

那么单元1和单元2的电流为：

i φ ( φ , α ) = i φ ( α ) cos ( φ − α ) (5)

单元3和单元4的电流为：

i φ ( φ , α ) = i φ ( α ) sin ( φ − α ) (6)

单元1的相位项为：

r ′ cos φ = r ′ ⋅ r r = r 0 cos α sin θ cos φ + r 0 sin α sin θ sin φ + P α 2 π cos θ (7)

定义：

K = ω μ I 0 r 0 cos ( k r 0 ) e − j k r 4 π r (8)

则单元1的 E φ 分量为：

E φ H 1 = − j k ∫ 0 2 N π cos ( α 2 N ) cos ( φ − α ) e j k ( r 0 cos α sin θ cos φ + r 0 sin α sin θ sin φ + P α 2 π cos θ ) d α (9)

同理可得，单元2的 E φ 分量为：

E φ H 2 = − j k ∫ 0 2 N π cos ( α 2 N ) cos ( φ − α ) e j k ( − r 0 cos α sin θ cos φ − r 0 sin α sin θ sin φ + P α 2 π cos θ ) d α (10)

由于正交馈电，所以单元3的 E φ 分量为：

E φ H 3 = k ∫ 0 2 N π cos ( α 2 N ) sin ( φ − α ) e j k ( − r 0 sin α sin θ cos φ + r 0 cos α sin θ sin φ + P α 2 π cos θ ) d α (11)

同理可得，单元4的 E φ 分量为：

E φ H 4 = k ∫ 0 2 N π cos ( α 2 N ) sin ( φ − α ) e j k ( r 0 sin α sin θ cos φ − r 0 cos α sin θ sin φ + P α 2 π cos θ ) d α (12)

如果螺旋臂上的电流分布与假定的电流分布基本一致，其辐射场可分为1/4圈、1/2圈和1圈。

对于1/4圈：

E φ R 1 , 2 = − j ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ ( cos φ e j k cos θ P / 4 − sin φ ) (13)

E φ R 3 , 4 = ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ ( sin φ e j k cos θ P / 4 + cos φ ) (14)

对于1/2圈：

E φ R 1 , 2 = − j ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ sin φ ( e j k cos θ P / 2 − 1 ) (15)

E φ R 3 , 4 = ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ cos φ ( 1 − e j k cos θ P / 2 ) (16)

对于1圈：

E φ R 1 , 2 = − j ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ sin φ ( e j k cos θ P / 2 + 1 ) (17)

E φ R 3 , 4 = ω μ e − j k r 4 π r 2 I 0 r 0 ⋅ cos φ ( e j k cos θ P / 2 + 1 ) (18)

螺旋天线上半空间的方向图如图2所示。从图中可以看出，天线的螺旋臂两两之间相位相差90˚，因此在上半空间形成圆极化，且其方向图呈心形，最大值位于轴向方向。四臂螺旋天线的轴长和圈数对天线的波束宽度、轴比、前后比等有较大影响；旋转角对天线的阻抗、增益、前后比、波束宽度等有较大影响，同时夹角对螺旋臂之间的互阻抗影响较大。

图2. 螺旋天线上半空间方向图

根据表1的仿真优化尺寸，对设计的四臂螺旋天线进行3D打印加工制作，天线实物图如图9所示。用矢量网络分析仪测试了天线的驻波比，如图10所示。在微波暗室中测量了天线的轴比和增益方向图，分别如图11和图12所示。由图10可见，实测的驻波参数VSWR ≤ 1.5，阻抗带宽实测为3% (1.561~1.609 GHz，约50 MHz)，与前述电磁仿真结果吻合。由图11可见，实测的±60˚角度内轴比均小于3 dB，与前述仿真数据接近。

图9. 天线实物图

图10. 实测输出驻波比

天线在1.59 GHz的测试方向图如图12所示，图12(a)和图12(b)分别给出了xoz面和yoz面的右旋及左旋增益方向图，从图中可以看出，该天线具有良好的定向辐射特性，由于实际天线安装于长方形PCB板上，实测增益方向图在低仰角相比仿真结果有微小凹陷，轴比也在低仰角有略微凸起。天线的测试增益为1.68 dBi。由于镂空介质部分为3D打印，螺旋绕丝为手工制作，因此测试误差不可避免。另外，实际介质材料的相对介电常数和仿真设定值也可能略有偏差，这些都会导致测量误差。

图11. φ = 0 ∘ 、 φ = 90 ∘ 轴比

图12. 测试的天线增益方向图(1.59 GHz)

本文设计的新型四臂螺旋天线与其它螺旋天线的性能对比如表2所示。从表中数据可以看出，本文提出的天线具有紧凑的尺寸和较好的增益，这里 λ 0 为自由空间波长。另外，本文的四臂螺旋天线电压驻波比小于1.5，可实现约50 MHz带宽，具有一定的导航系统应用价值。

表2. 本文设计与相关文献对比

本文通过理论分析、电磁仿真建模和3D打印技术设计制作了一种新型四臂螺旋天线。采用折叠式的四臂螺旋形式减小了天线的体积；采用3D打印镂空介质材料进一步降低了天线的重量；使用集成功分馈电网络，降低了馈电网络高度，提高了匹配精度，获得较好的圆极化特性。仿真与测试结果吻合良好。本文天线可广泛应用于卫星导航、通信等领域。

薛玉磊,黄卫平. 一种新型小型化导航四臂螺旋天线A Novel Miniaturized Navigation Four-Arm Helical Antenna[J]. 电气工程, 2023, 11(04): 145-156. https://doi.org/10.12677/JEE.2023.114017