正弦函數加載阿基米德螺旋天線的設計

徐海鵬,申強強,承浩宇

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

正弦函數加載阿基米德螺旋天線的設計

徐海鵬,申強強,承浩宇

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

阿基米德螺旋天線是一種超寬頻帶天線,廣泛應用于通信導航等領域。采用正弦函數加載方式對傳統阿基米德螺旋天線進行了小型化設計。仿真結果表明,天線口面面積減小了30%,天線仍具有較好的駐波、增益等特性。

螺旋天線;正弦函數;小型化

0 引 言

阿基米德螺旋天線是一種頻率無關天線[1-3],其有效輻射區隨著頻率而變化。因此,在寬頻帶范圍內天線的輸入阻抗變化小。該天線雙向輻射電磁波,在整個頻帶內波寬很寬,波束寬度一般介于50°～110°。理論上,阿基米德螺旋天線輻射圓極化波,但由于幅度、相位誤差,實際天線的工作狀態為橢圓極化。隨著現代技術的發展,對天線的尺寸限制越來越高,希望天線的尺寸盡可能小,同時天線仍然能實現較好的電性能。阿基米德螺旋天線的直徑正比于工作頻帶的下限,目前主要用于實現天線小型化的方法是將天線的兩臂加載曲線函數[4-5],以增加天線在低頻端的實際繞行的電長度。

本文設計了一種正弦函數加載的曲折臂阿基米德螺旋天線,天線的工作頻帶達到5個倍頻程。文中應用HFSS軟件仿真分析,并對比了傳統阿基米德螺旋輻射器及正弦函數加載的阿基米德螺旋輻射器的電性能,設計了指數漸變的寬頻帶平衡結構微帶巴倫,給出了整體的小型化的阿基米德螺旋天線仿真結果。仿真結果表明,雖然天線口面面積減小了30%,天線仍然具有較好的電性能。

1 阿基米德螺旋天線原理

阿基米德螺旋天線的兩條螺旋臂從內向外按阿基米德螺旋線結構展開,同時使螺旋臂的寬度與兩條螺旋臂之間的縫隙寬度相等,則能形成自補結構。理論上當對兩條螺旋臂等幅、反相饋電時,天線能夠在很寬的頻帶范圍內輻射圓極化電磁波。

阿基米德螺旋天線的主要輻射區位于螺旋線周長約1個波長的位置,因此其下限工作頻率決定螺旋線外徑。一般應使其周長2πr≥1.25λmax,λmax是螺旋天線下限工作頻率對應的波長。螺旋線內徑對天線的輸入阻抗和上限工作頻率有很大的影響,一般應取內徑2r0≤λmin/4,λmin是螺旋天線上限工作頻率對應的波長。

螺旋增長率也是影響阿基米德螺旋天線的關鍵參數。當螺旋增長率較小時,螺旋線總長度長,終端效應小,此時天線駐波特性好。但是,螺旋增長率不能過小,否則過多的螺旋繞線會增加傳輸線的損耗,降低低頻段的輻射能量。

2 阿基米德螺旋輻射器

2.1 傳統螺旋輻射器

根據傳統阿基米德螺旋天線的原理,設計了一個直徑約300 mm的自補結構螺旋輻射器,并利用電磁仿真軟件優化設計螺旋輻射器的內徑、線寬、繞線圈數等參數。圖1為傳統螺旋輻射器的駐波曲線,圖2為傳統螺旋輻射器的方向圖曲線。

圖1 傳統螺旋輻射器駐波

圖2 傳統螺旋輻射器方向圖

2.2 正弦函數加載螺旋輻射器

正弦函數加載螺旋輻射器是在傳統螺旋輻射器兩臂中對稱加入正弦函數asin(nφ),其中a為正弦函數的振幅,n為一周螺旋線對應加載的正弦函數個數。由于采用對稱加載方式,因此螺旋臂上相鄰點的相位不變,對天線方向圖的影響小。

正弦函數加載螺旋輻射器增加了天線的電長度,同時也帶來了損耗。因為螺旋輻射器尺寸由工作頻率的下限決定,因此螺旋輻射器的小型化針對螺旋輻射器的低頻段部分,而螺旋輻射器的初始部分應采用傳統阿基米德螺旋輻射器結構。

圖3為正弦函數加載螺旋輻射器,初始部分為傳統阿基米德螺旋結構,外部為正弦函數加載結構。仿真優化后的正弦函數加載螺旋輻射器約250 mm。圖4為正弦函數加載螺旋輻射器的駐波曲線,圖5為正弦函數加載螺旋輻射器的方向圖曲線。

圖3 正弦函數加載螺旋輻射器

圖4 正弦函數加載螺旋輻射器駐波

圖5 正弦函數加載螺旋輻射器方向圖

3 寬帶巴倫設計

螺旋輻射器是平衡對稱結構,而同軸連接器為非平衡結構,因此須采用不平衡到平衡的過渡寬帶巴倫。本文采用指數漸變微帶平行雙線實現不平衡到平衡的過渡,如圖6所示。微帶巴倫同軸端阻抗為50 Ω,平衡饋電端阻抗為110 Ω,指數漸變微帶巴倫的S參數仿真結果如圖7所示。

圖6 指數漸變微帶平行雙線

圖7 微帶巴倫S11、S12參數

4 正弦函數加載阿基米德螺旋天線

正弦函數加載阿基米德螺旋天線雙向輻射電磁波,實際使用時為單向輻射。為了保證天線在寬頻帶內單向輻射,一般采用異形反射腔或在腔體內填充吸波材料。將正弦函數加載阿基米德螺旋輻射器參數及指數漸變微帶巴倫參數帶入整體天線。仿真優化后的螺旋天線最大駐波小于1.8,正弦函數加載螺旋天線增益值如圖8所示,輻射方向圖如圖9所示。

圖8 正弦函數加載螺旋天線增益值

圖9 正弦函數加載螺旋天線輻射方向圖

5 結束語

本文簡要介紹了阿基米德螺旋天線的工作原理,分別對傳統阿基米德螺旋輻射器及正弦函數加載阿基米德螺旋輻射器進行了設計和仿真分析,比較了它們的電性能和結構尺寸。所設計的正弦加載阿基米德螺旋輻射器的有效面積減小了30%,駐波和增益指標略微下降,但仍具有良好的電性能,適用于有小型化需求尤其是工作頻段較低的應用場合。

[1] Kaiser.The Archimedean Two-wire Spiral Antenna[J]. IRE Transactions on Antennas And Propagation, 1960(5).

[2] 李連輝. 自補型阿基米德平面螺旋天線的設計與分析[J]. 遙測技術, 2003(4): 31-36.

[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.

[4] 宋朝暉,李紅梅,楊漢瑛,等. 曲折臂形式的阿基米德螺旋天線小型化研究[J]. 微波學報, 2009, 25(2):53-57.

[5] 何志國,徐風清,崔景波. 一種星載平面螺旋天線的小型化設計方法[J].航天器工程, 2012,21(1):68-71.

Design of Archimedean spiral antenna with sine function

XU Hai-peng, SHEN Qiang-qiang, CHENG Hao-yu

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The Archimedean spiral antenna, as a kind of ultra wideband antenna, is widely used in the communication and navigation and other fields. The miniaturization design of the conventional Archimedes spiral antenna is performed with sine function. The simulation results show that although the antenna aperture area is decreased by 30%, the antenna still has good VSWR and gain characteristics.

spiral antenna; sine function; miniaturization

2017-03-01

徐海鵬(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:超寬帶天線技術;申強強(1991-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線技術;承浩宇(1980-),男,高級工程師研究方向:天線技術。

TN823.31

A

1009-0401(2017)02-0027-03