一种小型平面螺旋天线

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小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计

第14卷第6期2008年12月上海大学学报(自然科学版)J OU RNAL OF S HANGHA I UN I VER SI TY (NATURA L SC I EN CE)V o.l 14N o .6D ec .2008收稿日期:2007 09 03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60571053);上海市重点学科建设资助项目(T0102)通信作者:钟顺时(1939~),男,教授,博士生导师,研究方向为现代天线理论与技术等.E ma i :l shshz h ong @文章编号:1007 2861(2008)06 0581 04小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计朱玉晓1, 钟顺时1, 许赛卿1,2, 张丽娜1(1.上海大学通信与信息工程学院,上海200072;2.浙江正原电气股份有限公司,浙江嘉兴314003)摘要:介绍一种小型化的平面螺旋天线,该天线具有很宽的频带,在频段0.95~15.20GH z 内,实测反射损耗均小于-10dB ,同时在频段1.4~10.2GH z 内有较好的圆极化辐射特性(轴比小于4dB).与普通平面螺旋天线比较,该天线较大程度减小了天线横向尺寸,同时通过在天线下放置一圆台背腔,有效增宽了天线3dB 波瓣宽度(达130 ).设计了一种指数渐变的微带线到双线的非平衡平衡阻抗转换巴伦,仿真和实测结果显示,天线具有良好的圆极化和宽频带特性.关键词:平面螺旋天线;小型化;巴伦;背腔中图分类号:TN 82 文献标志码:AD esi gn ofM i niaturized P lanar Spiral Antenna and ItsW i deband BalunZ HU Yu x iao , Z HONG Shun sh,i XU Sai qi n g , Z HANG Li na(1.Schoo l o f Comm un i cation and Infor m ati on Eng ineer i ng ,Shanghai U niversit y,Shangha i 200072,Chi na ;2.Zhe jiang Zhengyuan E lectr i c Co.,L td .,Ji ax i ng 314003,Zhejiang,Ch i na)Abst ract :Th is paper i n troduces a m i n i a turized planar spiral an tenna w ith a very w ide bandw i d th .I n the frequency range fro m 0.95GH z to 15.20GH z ,the m easured return l o ss i s less than -10dB .Good c ircular po larizati o n perfor m ance (ax ial rati o <4dB )is ob tained bet w een 1.4GH z and 10.2GH z .Co m pared w ith the conventional sp iral antenna ,the proposed antenna sign ificantly reduces the size andeffic i e n tl y broadens the 3dB bea m w idth to abou t 130 by addi n g a conical back cav ity beneath the antenna .M oreover ,a w ideband bal u n is designed usi n g an exponentia lly tapered m icrostrip para llel line w ire .S i m ulati o n and experi m ental resu lts sho w that the proposed antenna is o f good circu lar polarization and w i d eband characteristics .K ey w ords :planar spiral antenna ;m i n iaturizati o n ;w i d eband ba l u n ;back cav ity 早在20世纪50年代,Rum sey 等人提出了平面螺旋天线,该类天线的外形仅由角度决定,它们的方向图和阻抗特性在相当宽的频带范围内与频率无关,称其为频率无关天线[1 2].由于螺旋天线具有超宽的频带、稳定的增益和较低的轴比,并且易于平装,因此使螺旋天线在军事和民用方面有着广泛的应用.平面螺旋天线的主要辐射区取决于其工作频率.对于等角螺旋天线,当螺旋臂长为一个波长或略大于一个波长时,天线的阻抗和辐射方向图开始趋于不变.但是当工作于较低频率时,这类天线的横向尺寸相当大.因此,对于平面螺旋天线如何减小其尺寸是当前研究的热点.本工作将等角螺旋与阿基米德螺旋相结合,经过复杂变形,增长了天线电尺寸,有效实现了天线的小型化.仿真和实测结果均显示了该设计的有效性.1 平面螺旋天线设计1.1 平面螺旋天线平面螺旋天线一般有两种,即阿基米德螺旋天线和等角螺旋天线.阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀增加,其曲线方程为r=r+a ,(1)式中,r0是起始半径,a为螺旋增长率, 是幅角,以弧度表示.双臂阿基米德螺旋天线如图1(a)所示.在螺旋的周长为一个波长附近的区域,形成平面螺旋的主要辐射区.主要辐射区随频率的变化而变动,但方向图基本不变.对应最低工作频率,天线外端至少要有1.25 的周长.平面等角螺旋天线的曲线方程为r=r0e a( - 0),(2)式中,r0是对应 0时的矢径,a为螺旋增长率, 0为螺旋的起始角.平面等角螺旋天线如图1(b)所示.当a减小时,螺旋臂曲度增大,电流沿螺旋臂衰减变(a)阿基米德螺旋天线(b)等角螺旋天线图1 平面螺旋天线F i g.1 P l anar sp ira l antennas快.通常a取值范围为0.12~1.20.当螺旋臂长等于或大于一个波长时,天线开始呈现出非频变天线特性.通常要求臂长大于一个波长,天线半径R则至少等于 /4.1.2 天线设计为了减小天线尺寸,本研究采用了一种经过复杂变形的平面螺旋天线[3].由平面螺旋天线基本理论知,对于等角螺旋天线,当螺旋臂长大于一个波长时,天线才开始呈现出非频变特性.而阿基米德螺旋天线的主辐射区在螺旋的周长等于一个波长处,这样当工作于较低频率时,这两种天线尺寸都比较大.从阿基米德螺旋和等角螺旋的几何特点出发(如图1),同样的螺旋臂长,等角螺旋天线的矢径r将远远大于阿基米德螺旋天线的矢径r.因此,将两者结合,在天线中心采用等角螺旋,天线外端采用多段复杂的阿基米德螺旋,整个天线具有等角螺旋天线的特性,即螺旋臂长大于一个波长后将呈现非频变特性.同时由于外端采用阿基米德螺旋,使得螺旋臂长等于一个波长时,矢径r仍具有较小尺寸,从而使整个天线尺寸大大减小.天线结构如图2所示.(a)结构图(b)实物图图2 天线结构F ig.2G eo m etry of the sp ira l antenna螺旋天线的辐射是由螺旋臂中的电流及臂间的磁流共同辐射构成.由仿真电流图分布可知,当螺旋臂臂宽较宽时,电流沿臂衰减很快.因此,本设计在外端采用了多段复杂的阿基米德螺旋,使得螺旋臂宽逐渐变宽,从而使电流沿螺旋臂迅速衰减,在末端衰减至相当小的程度.同时对螺旋臂末端逐渐消尖, 582 上海大学学报(自然科学版)第14卷大大减小其末端反射电流,构成行波电流.本工作设计平面螺旋天线直径为 96mm ,基板材料厚度为1mm ,相对介电常数为4. 5.天线初始半径为2mm,内圈等角螺旋天线螺旋增长率a 取0.221,外端阿基米德螺旋天线螺旋增长率取1.65和1.43.1.3 宽频带巴伦及背腔设计对于一个互补结构的天线,由巴俾涅原理知,具有两个臂无限大结构的互补结构天线,其输入阻抗值约为188.5 .同时由于该螺旋天线是平衡双线对称结构,其馈电也应采用平衡馈电方式.同轴线是传统的超宽带馈电线,但其馈电方式为非平衡馈电,同时一般同轴线特性阻抗为50 ,由于该设计天线并非完全互补结构,其仿真输入阻抗值约为106 ,因此需要增加相应的非平衡平衡阻抗转换巴伦设计.本工作采用了一种指数渐变的微带线到双线的非平衡平衡阻抗转换巴伦[4],其原理如图3所示.图3 渐变线阻抗匹配原理图Fig .3I m pedance m atch i ng of exponen iall y tapered li ne图3中,l 为总长度,Z 0为始端阻抗,Z l 为终端阻抗.设渐变线各个部分阻抗、导纳是坐标x 的函数,分别为Z (x ),Y(x ),由渐变线上的电压、电流的关系得到以下方程:d Vd x =-Z I ,(3)d Id x=-YV.(4)如果已知渐变线各点的阻抗Z (x )和导纳Y(x ),就可以得到电压V 和电流I .因此使用以下方程:Z (x )=Z (0)e !x,(5)Y(x )=Y(0)e -!x ,(6)式中,!是指数线阻抗变化参量.由式(5)和(6)得到的阻抗渐变线称为指数阻抗渐变线.与贝塞尔、切比雪夫及双曲线等其他渐变线相比较,当l / >0.5时,指数渐变线反射系数最小,而且频带极宽.设计馈线巴伦结构如图4所示,馈线尺寸20mm 35mm,基板材料厚度为1mm,相对介电常数为4.5.其地板和微带线均采用指数渐变的方式,地板指数线参数!取0.08.图4 巴伦结构示意图F i g .4G eo m e try of the desi gn ed Balun为获得单向辐射,通常在天线一边安装一反射腔去掉不希望的辐射.反射腔一般采用平底腔,腔深约为 /4,腔体直径与天线外径相同.由于反射腔长度的固定,改变了螺旋天线的非频变特性,因此通常在反射腔底部和侧壁加吸收材料来减小谐振效应,但是这样将损失大约3dB 的增益[5 7].本工作采用一种圆台背腔设计[8],圆台顶端距螺旋天线的距离h 为最高工作频率波长的1/4,低端距螺旋天线的距离H 为最低工作频率波长的1/4,低端直径与天线外径相同,结构如图5所示.图5 圆台背腔结构侧剖图Fig .5 Cross secti on of the con ical back cavity2 仿真与实验结果在上述馈线下天线的实测反射损耗如图6所示.图中可见,在频段0.9~16.0GH z 内,其反射损耗均小于-10dB .增加圆台背腔后,在频段0.95~15.20GH z 上,其反射损耗均小于-10dB .天线的轴比、方向图的仿真及测试结果如图7和图8所示.由图知,该天线在频段1.4~10.2GH z 内有较好的圆极化辐射特性(轴比小于4dB),其中仅1.40~1.45GH z 和8.8~10.2GH z 内频段轴比超过3dB .一般平面螺旋天线3dB 半功率波瓣的最佳宽度为90 ,如图8所示.该天线无背腔时,3dB 半583 第6期朱玉晓,等:小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计图6 驻波比特性Fig .6 M easured VS WR图7 轴比特性F i g .7Si mu l ated axial ratio图8 方向图特性(1.575GH z)F i g .8 S i m u l ated and m easured radiationpattern at 1.575GH z功率波瓣宽度约为85 .增加背腔后,提高了低仰角增益,降低了高仰角增益,有效地展宽天线半功率波瓣宽度至130 .以上结果表明,该天线具有极宽的阻抗带宽和圆极化带宽.同时,由一般平面螺旋天线的设计尺寸,对应0.95GH z 天线直径为 /2!158mm.可见该天线降低了最低频率,有效地将天线尺寸减小到96mm,其面积仅为前者的37%.3 结论本工作介绍了一种复杂变形的小型化平面螺旋天线的制作及实验结果,该天线在0.95~15.20GH z 频带上具有很好的辐射特性,而天线面积仅为常规设计的37%.此外设计了一种指数渐变的微带线到双线的非平衡平衡阻抗转换巴伦和一圆台背腔,保证了天线的宽频带特性,并有效地展宽了天线的波束宽度.参考文献:[1] RUM SEY V H.Frequency i ndependen t antennas [R ].I RE N ationa l Conventi on R ecord ,1957:114 118.[2] S TUTZMAN W L,TH IELE G A.天线理论与设计[M ].朱守正,安同一,译.北京:人民邮电出版社,2006:233 239.[3] S ONG Z H,Q I U J H,L I H M.N ove l p lanar com plexsp ira lultra w idebandan tenna[C]//20044thInternationa l Conference on M i cro w ave and M illi m e ter W ave T echno l ogy Proceed i ng s .2004:35 38.[4] 宋朝晖,邱景辉,张胜辉,等.一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究[J].制导与引信,2003,2(24):36 39.[5] KWON D H.A w i deband Ba l un and verti ca l transiti onbe t w eenconduc t o r backedCP Wandparall e l striptrans m ission li ne [J].IEEE M icrow ave and W ire lessComponents Le tters ,2006,16(4):152 154.[6] NAKANO H,NOGAM I K,ARA I S ,e t a.l A sp i ra lantenna backed by a conducti ng plane refl ecto r [J].I EEE T rans A ntennas P ropaga t ,1986,AP 34:791 796.[7] AFSAR M N,W ANG Y.A new w i deband cav it y backedsp ira l an tenna [C]//I EEE A ntennas and P ropaga ti on Soc iety Internati ona l Sy m posiu m.2001,4:124 127.[8] 张尉,金素华,程柏林.目标航迹的参数模拟法[J].空军雷达学院学报,1999,13(2):15 18.(编辑:刘志强)584 上海大学学报(自然科学版)第14卷。

小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计

ＸＵａ－ｉｇ，ＺＨＡＮＧ — ＳｉｑｎＬｉｎａ
（．ｃｏｌｆｏｍｕｉｔｎａｄＩｆｍａｏｎｉｅｒｇＳａｇａＵｉｒｉ，ｈｎｈｉ００２ｈａ１ＳｈｏｏＣｍｎｃｉｎｏｔｎＥｇｎｅｎ，ｈｈｉｎｖｓｙＳａｇａ２０７，Ｃｉ；ａｏｎｒｉｉｎｅｔｎ２ＺｅａｇＺｅｇｕｎＥｅｔｃＣ．ｔ．Ｊｘｎ１０３ＺｅａｇＣｉａ．ｈｊｎｈｎｙａｌｒｏ，Ｌｄ，ｉｉｇ０，ｈｊｎ，ｈ）ｉｃｉａ３４ｉｎ
Ａｂｔａｔｈｓｐｐｒｉｔｄｃｓａｍｉｉｔｒｅｌｎｒｓｉｌａｔｎａｗｔｅｙｗｉｅｂｎｗｉｔ．Ｉｅｓｒｃ：Ｔｉａｅｒｕｅｎａｕｚｄｐａａｐｒｎｅｎｉａｖｒｄａｄｄｈｎｔｎｏｉａｈｈｆｅｕｎｙｒｎｅｆｍ．５Ｇｏ１．０Ｇ．ｔｅｍｅｓｒｄｒｔｍｏｓｉｌｓｈｎ一１Ｂ．Ｇｏｒｑｅｃａｇｒ０９Ｈｚｔ５２Ｈｚｈａｕｅｅｕｌｓｓｅｓｔａｏ０ｄｏｄ
ａｔｎａｎｅｎ．Ｍｏｅｖｒ，ａｗｄｂｎｄｂｕｓｄｓｇｄｕｉｇａｘｏｅｔａｌａｅｅｅｏｔｉａａｌｌｌｒｏｅｅａａｎｉｅｉｎｅｓｎｎｅｐｎｎｉｌｔｐｒｄｍｉｒｓｒｐｐｌｅ－ｉｉｌｙｒｎｅ
Ｃｍｐｒｄｗｉｈｏｖｎｉｎｌｓｉｌａｔｎａｈｒｐｓｄａｔｎａｓｎｆａｔｅｕｅｈｉｅａｄｏａｅｔｔｅｃｎｅｔａｐｒｎｅｎ，ｔｅｐｏｏｅｎｅｎｉｉｃｎｌｒｄｃｓｔｅｓｎｈｏａｇｉｙｚｅｆｉｎｌｒａｅｓｔｅ３ｄｅｍｄｈｔｂｕ３。ｂｄｉｇａｃｎｃａｋｃｖｔｅｅｔｈｆｃｅｔｂｏｄｎｈＢｂａｗｉｔｏａｏｔ１０ｉｙｙａｄｎｏｉａｂｃａｉｂｎａｈｔｅｌｙ

小尺寸多层平面式螺旋天线的仿真设计

场增强。
关键词：近场耦合；多层平面式螺旋天线；ＰＣＢ；天线特性中图分类号：ＴＮ８２１文献标识码：Ａ文章编号：１００２－８９３５（２０１３）０５－００４１－０４
近年来随着电子信息技术与移动互联网的蓬勃发展，短距离的无线通信技术越来越受到人们的关注。轻薄型移动电子设备的广泛普及对天线提出了更高的设计要求，如要求天线尺寸足够小、带宽足够宽等。如今国内外对于螺旋天线的研究也已日趋成熟，随着各种电磁仿真软件的出现，对天线各种参数的计算更加准确＿７］。在螺旋天线基本模型基础上，各种形状和尺寸的螺旋天线结构不断被应用于各种
图１线圈产生的磁场
１３Ｔｕｒｎｓ，Ｌａｖｅｒ
１３Ｔｕｎｓｒ／Ｌａｖｅｒ
（ａ）发射天线
（ｂ）接收天线
其强度可由式（１）给出ｌ＿５］：
Ｈ一—
２￣／（Ｒ＋ｚ）。
（１）
ｆｉｅｌｄｉＳｅｎｈａｎｃｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｅａｒｆｉｅｌｄｃｏｕｐｌｉｎｇ，Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｐｌａｎａｒｓｐｉｒａｌｗｉｎｄｉｎｇａｎｔｅｎｎａ，ＰＣＢ，Ａｎｔｅｎｎａｐｒｏｐｅｒｔｙ

平面螺旋

仿真实例
天线增益随频率变化
天线轴比随频率变化
仿真结果
口径面积小型化
平面螺旋天线口径面积小型化的方法主要有天线臂曲折化、复合结构平面螺旋天线、加载电阻和截断分层连接技术。
电阻
微波吸收材料
纵向尺寸小型化
平面螺旋天线在很多实际应用中需要实现单向辐射这就需要在天线的一侧加背腔。此外，传统的平面螺旋天线（双臂）在实际情况下需要通过巴伦来实现阻抗匹配和不平衡到平衡的转换，而巴伦的尺寸相对较大，且与天线所在平面垂直，这就增加了天线的纵向尺寸。目前平面螺旋天线低剖面的方法主要有：利用光子晶体结构代替金属反射腔和新的馈电方式代替巴伦。
平面螺旋天线
背景介绍
伴随着超宽带通信的广泛兴起、超宽带雷达的应用，发射和接收超宽带信号的天线技术也有着较大的发展。随着现代军事技术需求的推动及电子战技术的发展，超宽带天线作为电子战设备的重要组成部分，越来越显示出它的活力。在电子侦察、电子干扰设备、反辐射武器等得到了广泛的应用。
超宽带天线能在较宽的频带内保持基本不变的方向图、阻抗、极化和相位中心。主要实现形式为：平面阿基米德螺旋天线、平面等角螺旋天线、锥螺旋天线、平面喇叭天线、高斯褶皱喇叭天线以及对称振子天线的各种变形等。发展方向：口径面积小型化，纵向尺寸小型化
光子晶体取代传统的金属反射腔
仿真和实验结果表明，在约 1GHz 的工作频带内，天线的驻波比小于 2，并在所需频点与传统背腔式阿基米德螺旋天线相比，增益提高了 2dB实现了单向辐射，天线的性能得到了改善。而天线与光子晶体之间的距离仅为 0.1λ，与传统背腔式阿基米德螺旋天线腔深 1/4λ相比，大大减少了天线的纵向尺寸，实现了平面螺旋天线的低剖面设计。

一种小型平面螺旋天线概要

一种小型平面螺旋天线龙小专1 袁飞2（西南电子设备研究所，成都四川，610036）摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。

本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。

本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。

关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器A Miniaturized Planar Spiral AntennaLong Xiaozhuan 1 Yuan Fei 2(Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036)Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun1 引言2 电阻加载平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。

平面螺旋天线的设计与实现

平面螺旋天线的设计与实现陈小娟 ,袁乃昌ΞΞ(国防科技大学微波中心 ,湖南长沙 410073)摘要 :平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带 ,然而其匹配平衡电路的宽频带实现则较难 ,尤其是在加反射腔以使其单向辐射时。

在 4～6 GHz 范围内仿真并实际制作出了用于某 S 波段雷达系统单向辐射的平面螺旋天线 ,给出了设计参数值、仿真结果及实测结果。

关键词 :阿基米德螺旋天线 ; 宽频带 ; 巴仑 ; 反射腔中图分类号 : T N823. 31 文献标识码 :A 文章编号 :100920401 (2004) 0420031203Design and implementment of a planar spiral antennaCHEN Xiao 2juan , YUAN Nai 2chang( Microwave center , National University of Defense Technology , Changsha 410073 , China )Abstract :Planar Archimedean antenna can work in a very wide band , while the wideband matching network is difficult to be implemented , especially in adding a reflecting cavity to get a unidirectional radiation. In this article a unidirecti onal radiating spiral antenna is modeled on HFSS between 4 G Hz and 6 GHz and then is made to work in an S 2band radar system , and the design parameters , simulati on results and on 2the 2spot test are also given.Key words : Archimedean antenna ; wideband ; balun ; reflecting cavi ty1 引言阿基米德螺旋天线[ 1 ] 是一种宽频带天线 ,因其结构紧凑、尺寸小、重量轻而得以广泛应用。

一种新型平面阿基米德螺旋天线的分析与设计

设计的锯齿状平面阿基米德螺旋天线内３圈仍为标准
的阿基米德螺旋，从第４圈开始对螺旋进行锯齿形调制。锯齿形的折线形成了一种慢波结构，够在外径能尺寸不变的情况下增加电流行进的的路程，而改善从该天线的低频特性，到展宽频带的目的。达
视和应用。实际应用中，望在很宽的频带内，希在保证天线的电气性能指标基本不变的情况下尽量减小背腔螺旋的体积。本文研究了一种可以减小背腔螺旋体积
的天线。该天线内圈为阿基米德螺线，圈为锯齿状外的平面螺线。文中首先给出了这种锯齿状螺旋的结构
ＬｉＩＨｕ
（ａｉａｎｖｒｔｏｅｎｅＴｃｎｌｙｈｎｓａ４７，ｈｎ）ＮｔｎｌｉｓｙｆＤｆｓｅｈｏｇ，Ｃａｇｈ０３ＣｉａｏＵｅｉｅｏ１０
ＡｂｔａｔＡｅｔｐｌｎｒＡｒｈｍｅｅｎｓｉａｎｅｎｓｒｃ：ｎｗ—ｙｅｐａａｃｉｄａｐｒｌａｔｎａ，ｔｅｚｇａｌｎｒＡｒｈｍｅｅｎｓｉａｎｅ — ｈｉｚｇｐａａｃｉｄａｐｒｌａｔｎｎａ，ｉｒｓｎｅＴｈｅｍｅｒｃｌｓｒｃｕｅｏｈｓａｔｎａｉｎｒｄｃｄ，ａｄｉｓｍａｎｃａａｔｒｓｉｓｓｐｅｅｔｄｅｇｏｔａｔｕｔｒｆｔｉｎｅｎｓｉｔｏｕｅｉｎｔｉｈｒｃｅｔｃｉａｄｐｔｎｉｌａｐｌａｉｎｓａｅｄｓｕｓｄ．ＡｎｅａｌｆａｚｇａｌｎｒＡｒｈｍｅａｐｒｌａｔｎａｎｏｅｔａｐｉｔｏｒｉｃｓｅｃｘｍｐｅｏｉｚｇｐａａｃｉｄｅｎｓｉａｎｅｎｗｏｋｎｔ２９～６．ｒｉｇａ，２ＧＨｚｉｉｅＴｈｅｔｒｓｌｓｏｈｔｔｅｐｒｏｍａｃｆｔｉｎｅｎｎｌｗｓｇｖｎｅｔｓｅｕｔｈｗｓｔａｈｅｆｒｎｅｏｈｓａｔｎａｉｏ￣ｅｕｅｃａｅｗｅｌｉｒｖｄｑｎｙｃｎｂｌｍｐｏｅ，

一种小型化超宽带平面螺旋天线的设计

2018年第7期信息通信2018(总第 187 期）IN FO RM ATIO N & CO M M U N ICATIO N S(Sum . No 187)一种小型化超宽带平面螺旋天线的设计张熙瑜(中国电子科技集团公司第29研究所，四川成都610000)摘要:文章设计并制作了一种小型化超宽带平面螺旋天线。

该天线采用多层渐变吸收加栽技术消除胺体影响，以获得良好的驻波、方向图特性。

利用曲折线、吸收环加栽技术实现了天线的小型化。

相比传统天线，该天线尺寸缩小到常规又寸的57%。

为提高生产加工一致性、降低成本，馈电部分采用微带双线结构实现平衡转换。

测试结果显示，该天线在22.5 倍频程的工作频带内驻波小于2.5,面极化辐射特性良好，可广泛应用于各种测向系统。

关键词：小型化;超宽带；圆极化;平面螺旋天线中图分类号:TN 823.31 文献标识码:A 文章编号:1673-1131( 2018 )07-0107-020引言平面螺旋天线由于其结构的自相似性，具有良好的宽带圆极化辐射特性，因而引起了高度重视并在各种测向系统中得到了广泛应用。

平面螓旋天线的辐射是双向的，但在实际应用中，由于载体平台限制，往往要求天线具有单向辐射特性•通常的做法有两种,一种是在螺旋天线一侧增加吸收腔，以保持天线的宽频带特性，另一种是采用反射腔，虽然提高了天线增益，但是天线的带宽、体积均受到了限制。

本文对平面螺旋天线的吸收腔体进行了优化设计，采用多层渐变吸收加载技术消除腔体影响，使天线在超宽频带内获得了良好的驻波、方向图特性。

螺旋面采用sin 函数加载的曲折线设计,有效减小了天线口径。

为吸收螺旋线终端反射，改善低频段圆极化特性，在蜾旋面上还采用了吸收环加载。

馈电部分采用微带双线结构实现平衡转换，既提高了加工一致性又降低了生产成本。

⑥ 路径分析。

路径分析主要是找寻访问路径的分析方法，通过对访问记录中高频出现的访问站点进行相应研究，从而找到访问频繁的路径，并且对访问路径进行研究，最后可以找出在路径中存在的问题。

一种星载平面螺旋天线的小型化设计方法

一种星载平面螺旋天线的小型化设计方法
何志国;徐风清;崔景波
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2012(021)001
【摘要】探讨了某星载背腔式平面螺旋天线的小型化设计方法。

通过螺旋线传输段进行蝶形加载;辐射段和截止段进行曲线锯齿加载;改善了螺旋天线的低频和高频特性,克服了传统阿基米德螺旋天线臂长、传输损耗大、效率低的缺点,增加了螺旋曲线的有效长度;通过合理设计天线的反射腔高度,提高了天线的增益。

对背腔式平面螺旋天线各参数进行了综合优化设计,研制出了具有小型化、宽频带、高增益等特点的复合加载平面螺旋天线实物样机,并进行了测量,结果表明,所设计的天线在带宽为5∶1工作频带内具有良好的阻抗和圆极化辐射特性,与传统螺旋天线相比,天线的几何尺寸要远小于同频带的平面螺旋天线。

【总页数】4页(P68-71)
【作者】何志国;徐风清;崔景波
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033
【正文语种】中文
【中图分类】V443.4
【相关文献】
1.一种小型化超宽带平面螺旋天线的设计 [J], 张熙瑜
2.小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计 [J], 朱玉晓;钟顺时;许赛卿;张丽娜
3.一种小型化平面螺旋天线的仿真设计 [J], 臧永东;金谋平;詹珍贤
4.局部放电检测用小型化宽带平面螺旋天线研究 [J], 刘成;赵玉顺;罗义华;罗正帮;周力骏
5.一种小型化宽带背腔螺旋天线的设计与实现 [J], 任丽红;何昌见
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一种小型平面螺旋天线龙小专1袁飞2（西南电子设备研究所，成都四川，610036）摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。

本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。

本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。

关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器A Miniaturized Planar Spiral AntennaLong Xiaozhuan 1Yuan Fei 2(Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036)Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article.Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun1 引言平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。

随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。

一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。

若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。

在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。

本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于 2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。

2 电阻加载平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。

在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。

辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为：r r aφ=+（1）式（1）中，r是起始半径，a为螺旋增长率，φ是以弧度表示的幅角。

双臂平面阿基米德螺旋天线如图1（a）所示。

平面阿基米德天线一般在螺旋面的中心起始端两点采用平衡馈电，而主要辐射区域是集中在平均周长为一个波长的那些环带上，也称有效辐射区。

当频率改变时，有效辐射区随之改变，但辐射方向图基本不变。

而当有效辐射区为天线的最外圈区域·553··554·时，其频率即为天线的最低工作频率。

对于圆形螺旋面，周长max C D λ=π×=，则可得天线外径：max /D λ=π （2）（a ）普通螺旋面（b ）末端电阻加载图1 阿基米德螺旋面及电阻加载示意图本文设计的天线，其口径尺寸不大于Ф30mm ，工作频率为2.5 GHz ～6GHz 。

由式（2）计算得天线最低工作频率为3.18GHz 。

作为验证，在HFSS 中对其进行仿真模拟。

采用厚度为0.508mm 的Duroid 5880基材，其介电常数为2.2，螺旋线宽度和间距均取0.4mm 。

一般地，螺旋线宽和间距相等的自补型阿基米德螺旋面的输入阻抗为125Ω左右，因此仿真模拟时在螺旋面中心处采用125Ω的平衡馈电。

在图2的驻波比和轴向轴比仿真结果表明，该尺寸的普通辐射螺旋面，不能满足2.5GHz ～6GHz 的工作要求。

（a ）驻波比（b ）轴向轴比图2 普通螺旋面仿真结果普通辐射螺旋面不能满足指标要求，因此对其进行电阻加载设计。

阿基米德螺旋天线可视为行波天线，电流由中心馈电处逐渐流向外层。

天线上的电流在流过有效辐射区之后并不明显的减小，以致天线结构在终端被截断后，电特性将受到一定的影响。

为了避免此现象的发生，可在终端进行电阻加载，以吸收末端电流，减小终端反射对天线电性能的影响，改善天线的驻波比和轴比等性能，从而有效扩展天线的低端工作频率。

如图1（b ）所示，在实际工程设计中，可在普通辐射螺旋面的基础上，取天线的最后半圈进行截断，截断处焊接一定阻值的贴片电阻。

截断剩余的几条金属条带长度及焊接的电阻阻值均可作为设计和优化的参数，但一般来说，现有的贴片电阻的阻值是一定的，因此通常将金属条带的长度作为可变的参数进行优化设计。

本文中，将螺旋线的最后半圈分成四段，每段弧长（即两个电阻之间的间距）所对应的角度及每个加载的电阻阻值如表1所示。

表1 末端分段长度对应角度及加载电阻值R1-R2 R2-R3 R3-R4 R4-R5 65 rad50 rad15 rad50 radR1 R2 R3 R4 R5 33Ω 56Ω 91Ω 150Ω 270Ω在HFSS 中进行仿真计算，得到电阻加载辐射螺旋面的性能结果如图3所示。

（a ）驻波比（b ）轴向轴比及增益图3 电阻加载螺旋面仿真结果从图3中可见，由于采用末端离散电阻加载设计，天线的驻波比和轴向轴比明显减小，其中驻波比在2.5GHz ～6GHz 频段内小于1.3，轴向轴比在整个频段内小于2dB 。

对比未进行电阻加载的普通螺旋面，其驻波比和轴向轴比性能，尤其是低端频率性能，得到了明显改善。

可见，对螺旋面进行末端离散电阻加载，可有效改善天线的低端频率特性，扩展天线的低端工作频率。

3 平衡器及综合设计从图1中可见，螺旋面是一种平衡结构，而常用的同轴馈线、微带线是非平衡结构，如果直接采用非平衡的同轴线、微带线对螺旋面馈电，就会在同轴线外导体外壁或微带线的地板外侧上形成电流。

该电流在空间中的辐射场会与螺旋面的辐射场叠加，从而影响了原螺旋面的方向图，造成天线方向图的歪头、凹顶等。

其次，自补型螺旋面的输入阻抗为125Ω左右，而同轴线的特性阻抗为50Ω，如果直接将两者连接，由于阻抗的不匹配，电磁波会在连接处产生很大的反射，从而恶化天线的驻波比和增益等性能。

平衡器的设计就是为了解决上述两个问题[3]。

目·555·前常用的宽带平衡器主要有无限巴伦、微带线到双线的转换巴伦和马欠德平衡器三种。

无限巴伦可解决平衡问题，但不能解决阻抗不匹配问题[4]；微带线到双线的转换巴伦可很好的解决宽带阻抗匹配问题，但不能解决宽带平衡问题，且一般来说，其渐变线长度为最低频率波长的一半。

马欠德平衡器可同时解决宽带平衡与宽带匹配的问题，被广泛用作各种平面螺旋天线的平衡器[5]。

马欠德平衡器及其等效电路图如图4所示。

从图4（a ）中的等效电路图可见，输入端接电长度为1θ、特性阻抗为1Z 的传输线，然后串联电长度为2θ、特性阻抗为2Z 的终端开路传输线；并联电长度为3θ、特性阻抗为3Z的终端短路传输线，形成平衡输出。

再经过电长度为4θ、特性阻抗为4Z 的传输线进行阻抗变换后，实现对所需阻抗的平衡输出。

一般地，串联开路线和并联短路线的长度为4/0λ。

当频率变化，其长度偏离0/4λ时，串联线和并联线的阻抗可以相互补偿，从而展宽了工作频带。

若选取10Z Z =，20/4Z Z =，304Z Z =时，上下限工作频率覆盖可达4:1，负载0R Z =。

当负载0R Z ≠时，可通过调整开路线和短路线的阻抗值及长度得到所需的阻抗变换比（0/R Z ）和频率覆盖范围[3]。

（a ）等效电路（b ）同轴型（c ）微带型图4 马欠德平衡器根据马欠德平衡器的原理，在HFSS 中进行微带线型平衡器的建模和仿真设计，模型如图5（a ）所示。

仍采用厚度为0.508mm 的Duroid 5880基材。

输入端为特性阻抗为50Ω的微带线，在地板开槽对应处后接长度约为0/4λ的开路线，宽度对应于开路线的阻抗；地板中心开槽，槽宽对应于短路线的阻抗；地板在微带线转折对应处以后宽度逐渐减小，最后减小为所需馈电的螺旋线宽。

为了对螺旋天线进行馈电，输出端设置为特性阻抗为125Ω的平衡端口。

通过HFSS 仿真，并对开路线宽、开槽宽度、长度等参数进行优化，最后得到单个平衡器和背靠背结构的平衡器仿真结果如图6所示。

（a ）单个平衡器（b ）背靠背结构图5 微带马欠德平衡器（a ）单个平衡器结果（b ）背靠背结果图6 微带马欠德平衡器仿真结果从图6中可见，本文设计的微带线型马欠德平衡器在2.5GHz ～6GHz 的驻波比<2，插入损耗<-1dB ，可用作平面螺旋天线的馈电装置。

将该平衡器与前述之电阻加载螺旋面结合，并设置背腔，最终得到平面螺旋天线模型及仿真结果如图7所示。

（a ）模型（b ）驻波比结果（c ）增益结果（d ）轴向轴比结果（e ）E 面方向图（f ）H 面方向图图7 天线整体模型及综合仿真结果从图7的仿真结果可见，在2.5GHz ～6GHz 的频段内，天线的驻波比≤2.5，增益≥-15dBi ，轴向轴比≤3dB ，方向图最大辐射方向为正前向0º方向，无波束歪头和凹顶，主瓣宽度约为60º～90º，满足系统指标要求。

4 结论本文在普通平面阿基米德螺旋面的基础上，采用末端离散电阻加载技术，仿真设计了一种小型平面阿基米德螺旋面，并结合设计的平面马欠德平衡器，所得平面螺旋天线，各项指标均圆满达到设计要求。

电阻加载技术能改善平面螺旋天线的驻波比和轴比等性能，从而扩展了天线的工作频带，提高了天线的实用范围。

参考文献[1] 林昌禄. 天线工程手册 [M]. 北京：电子工业出版社, 2002.[2] H. Nakano, H. Mimaki, J. Yamauchi, and K. Hiroset. A Low Profile Archimedean Antenna [J]. Antenna and Propagation SocietyInternational Symposium , 1993.[3] V. Trifunovic, B. Jokanovic. Review of printed Marchand and double Y baluns: characteristics and application[J]. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 1994. 42 (8).[4] 尹应增, 夏静改, 龚书喜, 刘其中. 宽频带微带传输线巴伦的研究[J]. 电波科学学报, 1999. 2.[5] J. Dyson. The Equiangular Spiral Antenna[J]. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-7, April, 1959.作者简介：龙小专，男，助理工程师，主要研究领域为宽带天线；袁飞，男，工程师，主要研究领域为计算电磁学和宽带天线等。