新型寬帶螺旋天線的小型化設(shè)計

摘 要：基于人工介質(zhì)基底的螺旋天線小型化設(shè)計，利用螺旋天線的固有屬性——有效輻射區(qū)和異形腔的設(shè)計思路，設(shè)計了人工介質(zhì)基底，通過控制人工電介質(zhì)材料中圓盤的半徑來控制介質(zhì)基底相應(yīng)位置的有效介電常數(shù)，在保持相對帶寬和較高增益的前提下，很大程度上降低了天線的厚度，從而實現(xiàn)了螺旋天線的低剖面小型化設(shè)計，使得天線利于與載體共形，這是一種螺旋天線小型化設(shè)計的全新思路。

關(guān)鍵詞：螺旋天線; 異形腔; 多層環(huán)帶介質(zhì)基底; 人工介質(zhì)基底; 小型化設(shè)計

中圖分類號：TN823+.31-34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0082-03

Miniaturization of Broadband Spiral Antenna

JING Na-kun， ZHAO Hui-ling， HUANG Lei

(School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China)

Abstract： This article mainly focuses on the miniaturization of spiral antenna. The design is based on artificial medium substrate， which takes advantage of the inherent properties of spiral antenna-effective radiation area and the design idea of the conical cavity. Effective permittivity of corresponding location of the artificial medium substrate is determined by controlling the radii of the disks. The thickness of the whole antenna is greatly reduced， while the antenna still maintains relatively wide bandwidth and high gain. The design is a novel way for low-profile and miniaturization of spiral antenna.

Keywords： spiral antenna; conical cavity; circumferential multilayer medium; artificial medium substrate; miniaturization design

0 引 言

隨著無線通信的不斷發(fā)展，低剖面、小型化、高增益寬帶天線的應(yīng)用越來越廣。螺旋天線［1］是一種比較常見的寬帶天線，其優(yōu)良的性能使其無論是在軍事、民用還是醫(yī)學(xué)等方面都大顯身手。在無線設(shè)備不斷向小型化和集成化發(fā)展的今天，如何在有限的體積內(nèi)實現(xiàn)天線的寬頻帶特性已成為新的研究方向。

為了使螺旋天線單向輻射，傳統(tǒng)方法是在天線的背面加一反射腔，腔內(nèi)填充吸波材料［2］，這樣能保持螺旋天線的寬頻帶特性，但是卻大大降低了天線的輻射效率；或者在天線背面λ/4位置(λ為選取中心頻率對應(yīng)的波長)設(shè)置一塊金屬接地板［3］，可提高天線某些頻段的增益，但會影響天線的帶寬。采用近些年提出的異形腔［4-5］，可以提高天線的增益、改善天線的帶寬，但會大大增加天線的體積，不利于天線的小型化設(shè)計。本文提出了一種新型的螺旋天線小型化設(shè)計方案，根據(jù)異形腔的設(shè)計思路和螺旋天線的固有屬性——有效輻射區(qū)，來完成螺旋天線的小型化設(shè)計。

1 多層環(huán)帶介質(zhì)基底

眾所周知，螺旋天線的有效輻射區(qū)域主要集中在周長為一個波長的輻射區(qū)域范圍內(nèi)，該區(qū)域直徑可由d=λf/π來確定，(其中λf為各個頻率所對應(yīng)的空間波長)。超出這個范圍，電流將迅速減小。隨著頻率升高，有效輻射區(qū)從螺旋線外圈向著內(nèi)圈移動。人工介質(zhì)基底采用異形腔的設(shè)計思路，通過改變εr來保證電長度，而非通過改變空間距離。從而實現(xiàn)螺旋天線在各個頻點處對應(yīng)接地板的相應(yīng)電長度均為λf/4 (λf表示各個離散頻點)。結(jié)合有效輻射區(qū)設(shè)計了人工介質(zhì)基底的粗糙模型［6］，如圖1所示，此模型稱為多層環(huán)帶介質(zhì)基底。在每個頻點對應(yīng)的有效輻射區(qū)域范圍下設(shè)置一個相應(yīng)的介質(zhì)環(huán)帶(共七個環(huán)帶)，每個介質(zhì)環(huán)帶中εr各不相同，確保螺旋天線工作在各頻點時，對應(yīng)接地板到天線的距離都是λg/4(λg為介質(zhì)波長)，相應(yīng)εr可以通過介質(zhì)層厚度t和各個頻點的波長λf計算。

設(shè)計自補螺旋天線［7］來驗證其性能，工作頻帶為6~12 GHz。天線的各個參數(shù)如下所示：增長率為0.636 6 rad/s，外徑為15.4 mm，內(nèi)徑為1.8 mm，臂寬和縫隙均為1 mm。為了實現(xiàn)最大的小型化設(shè)計，采用最高頻率對應(yīng)的λg/4作為整個天線的厚度3.4 mm(介質(zhì)為Rogers TMM3TM，εr為3.27)。設(shè)計相同頻段相同規(guī)格的異形腔螺旋天線與其對比。多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線和異形腔螺旋天線的性能比對如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，相對于異形腔螺旋天線，多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線，基本在整個通頻帶范圍內(nèi)S11<-15 dB。說明多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線寬頻帶性能很好。圖3為兩天線在中心頻率9 GHz時，增益的比較圖。在軸向上，多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線增益可以高達(dá)5.3 dB，波束稍微變窄，后瓣略微惡化，但多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線的整體厚度卻大大降低了，只有3.4 mm，而異形腔螺旋天線整體厚度為12.5 mm，前者厚度相對于后者降低了72%，相對于傳統(tǒng)的λ/4接地板，厚度降低了59%。所以在保證相對寬的帶寬和較高增益的前提下實現(xiàn)了天線的低剖面小型化設(shè)計。

2 人工介質(zhì)基底的實現(xiàn)

人工電介質(zhì)材料是一種金屬和介質(zhì)的復(fù)合材料。不同形狀的表面腐蝕有不同的電介質(zhì)特性［8］。多層環(huán)帶介質(zhì)基底是人工介質(zhì)基底的粗糙模型，在現(xiàn)實當(dāng)中很難找到。可通過規(guī)律排列不同半徑的人工電介質(zhì)材料來實現(xiàn)相同的功能［9］。人工電介質(zhì)材料的單元結(jié)構(gòu)，如圖4所示。中心為金屬圓盤，由三層結(jié)構(gòu)相同的電介質(zhì)材料組成，介質(zhì)層為Rogers TMM3TM，厚度h也為3.4 mm。將單元結(jié)構(gòu)放入波導(dǎo)中，用HFSS提取其單元的S參數(shù)，從而可以獲得周期排列單元的有效介電常數(shù)εeff和有效磁導(dǎo)率［10］μeff。當(dāng)改變單元圓盤的半徑時，可獲得不同的有效介電常數(shù)εeff和有效磁導(dǎo)率μeff。圖5為整個介質(zhì)層厚度范圍內(nèi)，只有單層、兩層與三層單元結(jié)構(gòu)時，相應(yīng)εeff與圓盤半徑關(guān)系的對比。在最低頻率6 GHz時，螺旋天線要求εeff為13.5。從圖中可以看出，只有三層單元結(jié)構(gòu)的人工介質(zhì)基底才能滿足要求，所以本文選取三層結(jié)構(gòu)單元組成人工介質(zhì)基底。頻率對εeff的影響不大，此處選用中心頻率9 GHz。由于隨著金屬圓盤半徑的變化，μeff都接近1，在這里就不討論了。從圖6得知，隨著半徑的增大，εeff也在變大。為保證等效關(guān)系有效性，最大圓盤的直徑不能超過最低頻率對應(yīng)波長的1/10。

根據(jù)圖5中εeff與圓盤半徑的關(guān)系，在螺旋天線各個頻點的特定有效輻射區(qū)域內(nèi)填充相應(yīng)半徑的小金屬圓盤，即呈現(xiàn)基底不同的半徑處，分布不同的εr，從而實現(xiàn)螺旋天線在各個頻點處對應(yīng)接地板的相應(yīng)電長度均為λf/4。人工介質(zhì)基底模型如圖6所示。

3 人工介質(zhì)基底螺旋天線的性能分析

采用相同螺旋輻射面來驗證人工介質(zhì)基底的性能。圖7為人工介質(zhì)基底和多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線S11的比較。人工介質(zhì)基底螺旋天線除在7~8 GHz之間(7.15~7.45 GHz和7.65~7.9 GHz)S11出現(xiàn)了惡化外，在整個通頻帶內(nèi)S11基本上小于-10 dB，保持了92%的寬頻帶性能。在7~8 GHz會出現(xiàn)惡化的原因主要有：

(1) 7 GHz和8 GHz兩個頻點對應(yīng)兩個不同半徑的圓盤單元，但由于螺旋天線有效輻射區(qū)有空間限制，兩者輻射區(qū)域內(nèi)只用了一種近似尺寸的圓盤代替；

(2) 人工介質(zhì)基底中金屬圓盤的排列不屬于嚴(yán)格的周期分布，而圖5是利用嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)分布得到的εeff和金屬圓盤半徑的關(guān)系，所以兩者的關(guān)系相對圖5有相應(yīng)的偏移誤差。

人工介質(zhì)基底螺旋天線和多層環(huán)帶介質(zhì)基底螺旋天線增益的比較，如圖8所示。從圖中可以看出，中心頻率9 GHz時，兩種螺旋天線在軸向上的增益基本相當(dāng)，人工介質(zhì)基底螺旋天線的增益也達(dá)到了5.3 dB，且后瓣沒有明顯惡化。

盡管人工介質(zhì)基底螺旋天線的S11沒有理想中的好，但是螺旋天線的整體厚度卻降低到3.4 mm。在保持寬帶和較高增益的前提下，完成了螺旋天線的低剖面小型化設(shè)計，容易實現(xiàn)與載體共形，具有很大的發(fā)展前景。

4 結(jié) 論

利用螺旋天線的固有屬性——有效輻射區(qū)和異形腔的設(shè)計思路，設(shè)計了人工介質(zhì)基底，通過控制人工電介質(zhì)材料中圓盤的半徑來控制介質(zhì)基底相應(yīng)位置的εeff，在保持相對帶寬和較高增益的前提下，將整個天線的厚度降低到3.4 mm，從而實現(xiàn)了螺旋天線的低剖面小型化設(shè)計。相對于異形腔而言，該螺旋天線很大程度上減低了天線的厚度，使得天線利于與載體共形。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］BAWER R， WOLFE J J. The spiral antenna [C]. New York City: IRE Int. Convention Record， 1960: 84-95.

［2］PENNEY Christopher W. Input impedance， radiation pattern， and radar， cross section of spiral antennas using fdtd [J]. IEEE Trans. AP， 1994， 42(9): 1328-1332.

［3］STUTZMAN W L. Antenna theory and design [M]. 2nd ed. New York: Wiley， 1998.

［4］李卉.一種新型平面阿基米德螺旋天線的分析與設(shè)計［J］.雷達(dá)與對抗，2006(3)：43-45.

［5］李連輝.自補型阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計與分析［J］.遙測遙控，2003，24(4)：31-36.

［6］馮文濤.新型寬帶定向雙臂方形螺旋天線的設(shè)計［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報，2007，8(4)：476-478.

［7］WERNTZ P C， STUTZMAN W L. Design， analysis and construction of an archimedean spiral antenna and feed structure [C]. Southeastcon ′89. Proceedings. Energy and Information Technologies in the Southeast.， IEEE. Columbia， SC: IEEE， 1989， 1: 308-313.

［8］ABDELILAH M， CHRISTIAN B. Finite-difference time-domain simulation of heterostructures with inclusion of arbitrarily complex geometry [J]. Journal of Applied Physics， 2006，99(6): 063502.

［9］Awai， YAMAUCHI T， YASUI S， et al. Very thin artificial dielectric lens antenna made of printed circuit board [C]// Proc. ISAP2007. [S.l.]: [s.n.]， 2007: 390-393.

［10］SMITH D R， VIER D C， SOULOULIS C M. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials [J]. Phys. Rev. E， 2005，71: 036617.

作者簡介：

靖娜坤 女，1984年出生，河北保定人，碩士研究生。主要研究方向為寬帶天線。