寬帶平面螺旋天線的研究與設計

摘 要：平面螺旋寬帶天線具有頻帶較寬、體積較小、圓極化性能較好等特點，應用范圍很廣。但是這種天線增益較低，饋電匹配較難實現，尤其是前者，使得其性能大打折扣。通過研究影響平面螺旋寬帶天線增益和饋電匹配的主要因素，設計了2~7 GHz范圍內的寬頻帶平面螺旋天線。理論分析和仿真實驗結果表明，對改善平面螺旋寬帶天線的性能有一定的工程參考價值。

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關鍵詞：阿基米德螺旋天線；寬頻帶；圓極化性；巴倫

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-108-02

Research and Design of Wideband Planar Spiral Antenna

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YI Lizhi

(Hunan Engineering Polytechnic College，Changsha，410151，China)

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Abstract：Planar Archimedean antenna has some advantages as wideband，small volume and good performance in circularly polarizing，so it has broad appliance prosperity.But also it has low gain and is difficult for matching，which reduces its characteristics a lot.The main factor which gain and matching of planar Archimedean antenna is deeply studied，The article designs a wideband planar spiral antenna with frequency from 2~7 GHz.The analysis and simulation experimental results are given to some reference values of engineering for Improving performance in planar Archimedean antenna.

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Keywords：Archimedean spiral antenna;wideband;circularly polarizing;Cumberland

平面螺旋天線是一種寬頻帶天線，因其頻帶較寬、尺寸小、重量輕、容易實現圓極化而在超寬帶及抗干擾等技術中得以廣泛應用。常用的平面寬帶螺旋天線有阿基米德螺旋天線和平面曲折螺旋天線等，這類天線都有互補周期性結構，能夠在較寬頻帶內保持天線的輸入阻抗特性不變，易于匹配。本文針對雙臂螺旋天線，采用反射腔作為1/4波長巴倫，采用空心同軸變換段來獲得較寬頻帶的阻抗匹配，并研究了天線介質板厚度對性能的影響。

1 設計與實現

圖1所示為雙臂阿基米德螺旋天線，其半徑隨角度的變化均勻的增加，由于該類天線不能像非頻變天線要求的那樣縮比到無限大或者是無限小，因此，這類天線對高端頻率有所限制，同樣由于結構尺寸限制，終端對電流截止，使得低頻端會有振蕩。

1.1 天線輻射元的設計

阿基米德螺旋天線是一種自互補天線，即天線臂寬與間隔相等。對于自互補結構的天線，由巴俾涅原理知其輸入阻抗為60πΩ^[1]。如微帶襯底介電常數為εr，則輸入阻抗Z0=60π/(εr+1)/2，選擇普通基板εr=4.6，基片厚度h=1 mm，這樣天線的輸入阻抗約為Z0=112.6 Ω。天線外圈周長必須大于1.25倍λmax，饋電點間距必須小于λmin/4。

圖1 阿基米德螺旋天線

1.2 背腔設計

要獲得單向輻射，需要用到反射腔，也可以在背腔內填充吸波材料，考慮到增益，本文腔體內部不填充吸波材料，而直接采用λ/4扼流套作為背腔。其基本結構如圖2所示，在同軸線外部加上一個長度為λ/4的金屬套，底端與同軸線外皮短接，該金屬套與同軸線的外導體構成一個特性阻抗為Zc的新同軸線L，且終端短路。易知，終端短路的λ/4長的同軸線有開路效應即從L頂端向下看去，特性阻抗為Zc的同軸線的輸入阻抗為無窮大，也就是說如果在該段傳輸線上有電壓電流分布，則最頂端為電壓腹點，電流節點，從而這種結構有一定的扼流作用。

圖2 λ/4扼流套式平衡器

1.3 輸入阻抗匹配設計

由阿基米德螺旋天線的輻射機理可知，要保證輻射為軸向輻射，輻射場為圓極化，必須要求等輻反相對其饋電，即要求平衡饋電，而同軸線是不平衡饋電系統，所以應在饋電端與天線之間加一個不平衡至平衡的變換器，即巴倫。寬頻帶的同軸線到微帶線的轉換巴倫通常采用錐削巴倫^[2]，駐波帶寬可以達到8倍頻程以上，但是這種巴倫不易于加工，并且在巴倫變換段出現了射頻泄漏，會影響天線的方向圖，本文采用一種窄帶的匹配^[3]，采用了空心的同軸變換段代替巴倫，這種結構帶來了饋電不平衡等影響，但是加工實驗方便，前期設計時可以采用。

本文針對空心同軸段長度及基板厚度做過實驗，分別測試對天線輸入駐波的影響。空心同軸段取6~10 mm，介質基板厚度取0.5~1.5 mm，發現在空心段長為8 mm，基板厚為0.5 mm時，駐波特性較好，駐波測試曲線如圖3所示。在1~8 GHz的寬頻帶內駐波都小于2，證明這種窄帶匹配還具有不錯的效果。

圖3 駐波測試曲線

1.4 測試結果

由于阿基米德螺旋天線是螺旋天線，需要測試其圓極化性能。方向圖測試時要分幾種情況分別測量，即在發射天線水平或垂直極化時，將螺旋天線旋轉一定測試角度（如45°），然后再由測試數據計算得到天線圓極化特性，圖4為螺旋天線水平放置，發射天線垂直極化時測得的兩個頻率對應方向圖。天線在同樣條件下放置時的增益曲線如圖5所示。由天線各方向放置時測得的方向圖曲線得到天線的軸比如圖6所示。

2 結 語

本文仿真并設計了帶寬為2~7 GHz的平面雙臂阿基

米德螺旋天線，給出的測試結果表明這類天線駐波帶寬(VSWR<2)可以達到8倍頻程以上；方向圖在低端3 dB寬度(半功率寬度)較寬，隨頻率的增加逐漸變窄；設計頻帶內增益在2 dB左右；天線軸比在3 dB以內，且越到高端，軸比越大，圓極化性能越差。

圖4 測試得到的方向圖曲線

圖5 增益曲線

圖6 天線軸比

參 考 文 獻

［1］康行健.天線原理與設計\\[M\\].北京:國防工業出版社，1995.

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［2］Foster P R，Soe Min Tun.A Wideband Balun From Coaxial Line To TEM Line.Conference Publication No.407，IEE，1995:286-290.

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［3］陳小娟，袁乃昌.平面螺旋天線的設計與實現\\[J\\].雷達與對抗，2004(4):31-33.

作者簡介 易禮智 男，1980年出生，湖南漣源人，教師。主要從事自動檢測與控制技術方向的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。