超宽带螺旋天线的小型化设计

引
言
任何无线电设备都需要用到天线。天线的基本功能 是 能量 转换 和 电磁 波的 定 向 辐 射 或 接 收， 天线的 性能直接影响到无线电设备的使用。 随 着 通 讯 技术 及 军 事 领 域 的发 展， 越 来 越 希望 天线 具 有 宽频带、 宽 波束、 圆极化的性能。 螺旋天线具有多方面的宽频带特性， 无论是方向特 性、 阻 抗 特 性 还 是 极 化 特 性 都 是 宽带的， 而且具有 体积小、 重量轻、 结构稳定、 圆极化特 性 好 等 优点， 因 而 引 起 了 高 度 重 视 并 得 到了 广 泛 的 应用。 但 是 一 般 不论是平面螺旋天线 还是锥面螺旋天线 寸上进一步实现在体积上的小型化。 的螺旋天线
［7 ］ 锥面螺旋采用圆锥对数螺旋 形式， 两臂的四条边缘公式分别是 珒 r c1 = r0 e b 珒 r c2 = r0 e b( － δ) 珒 r c3 = r0 e b( － π) 珒 r c4 = r0 e b( － π － δ) ( 2) 珒 r c 为从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径; b = a c sinθ0 = sinθ0 / tanα c ， 式中， αc 珒 r c1 、 r c3 分别为两臂的内 边 是螺旋的切线与圆锥母线间的夹角， θ0 是圆锥角; 珒 珒 珒 r c2 、 r c4 分别为外边缘; δ 称为螺旋天线的角宽度; d 和 D 分别是锥台顶与 缘， ［6 ］
［1 ］ ［2 ， 3 ］ ［4 ］
， 在确定频带的情况下， 都 很 难 在 传 统 设计 尺
本文介绍了一种新型的螺旋结构天线， 将 平 面 等 角 螺旋天线 与 锥 面 螺旋天线 结 合 起 来， 采用渐变式 的巴伦平衡馈电。相比传统的平面螺旋天线， 针 对 同 样 频带宽 度 的天线设计， 这 种 混 合 型螺旋天线体 积 更小。利用 Ansoft HFSS 电磁场仿真软件对 该 天线 进 行 建 模 和 仿真 计 算， 并 结 合 仿真 结 果实 际 制作 了该 ， ， 。 螺旋天线 给出了实测结果 表明该天线可以在工程实际中应用
［11 ， 12 ］
h 1 = 2tan λ max θ0
[ λD
]
， 如图 3 所示。
该 巴伦 在 满 足 频 率 要求 的 同 时 ， 从 微 带 线 转 换 到 平 行 双 线， 是从非平 衡 馈 电 方 式 到 平 衡 馈 电 方 式 变 换 的 一 种 很 好 的 选 择。 并且， 它 可 以在 微带 传输 线 到 平 行 双线 转换 传输 的 同 时 ， 引入阻 抗变换电路， 从而 实 现 一 定程 度 的 阻 抗 匹 配 。 由 于 采 用 渐 变 线 来 实现阻抗匹配， 在 很 宽的 工 作 频带 上都有 比 较 好的 性能 ， 因此设 ， 计的 馈 电 巴伦 采 用 指 数 渐 变 线 即是 随 着 阶梯 阻 抗 变 换 器中 阶梯 的 数目 无 限 增 多 ， 每 个 阶梯 的 长 度 将 无 限 缩 短 ， 则 多 阶梯 式 阻 抗 匹 配器 就 可 以 看 成 是 截 面 尺寸 和 截 面 特 性 阻 抗 连 续 变 化的 渐 变 线。 与双曲线渐变线、 抛 物 渐 变 线、 贝塞尔 渐 变 线 及 切 比 雪 夫 渐 变 线相比较， 当 l / λ ＜ 0. 5 ( l 为巴伦总长度， λ 为工作波长) 时， 指数线 的反射系数是最小的， 而 且 频带 极 宽。 因 此， 本文选用指数渐变的 图 3 微带线 － 平行双线 作为 平 面 等 角 螺旋天线的 巴伦。 巴伦 由 不 平 衡 微带渐变式巴伦结构示意图
1203 收稿日期: 20101227 收修改稿日期: 2010-
第 32 卷第 2 期
李秋玲等， 超宽带螺旋天线的小型化设计
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衡馈电方式， 同轴线是传统的超宽带 馈 电 线， 具 有良 好的宽频带 特 性， 但 其 馈 电 方 式 为 非 平 衡 馈 电， 所以 就需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电的转换电 路， 即 巴伦 的设计。并 且 由 于 螺旋天线的 输入 阻 抗 与 馈电同轴线的特性阻抗不同， 巴伦还要实现输入、 输出阻抗的变换。 综上所述本文选用在平面螺旋天线的 两 臂 末 端延 续 锥 面 螺旋天线形式， 在 高 频段， 主 要 的 能量 都 通 过平面螺旋部分辐射， 锥面螺旋作为平面螺旋的末端 加 载; 而 在低 频段， 平 面 螺旋 部 分 没 有 足够 的 电 长 度 产生辐射， 此时的平面螺旋等同于锥 面 螺旋的一 部 分， 能量 集 中在 锥 面 螺旋 部 分 辐 射。 巴伦 采 用 渐 变 微 带形式， 在工作频带上实现了不平衡的微带线到平衡平行双线的转换， 并实现了输入、 输出阻抗的变换。
h 为锥台高度， 底的直径， 其结构如图 2 所示。 2 θ0 对 方 向 图 有 明 显 锥 面 螺旋天线 在 锥 顶 方 向 具 有单 向 辐 射 特 性 ， 2 θ0 越 大 ， 的 影响 ， 当 αc 、 δ 一定时， 主瓣越宽， 前后辐射比越小。 在 2 θ0 、 δ一 ， ， ， 定 时 螺旋 角 α c 越 大 即 螺旋 臂 绕 得 越 紧 方 向 图主 瓣 越窄 前 后 辐 射 比 越 大， 当 αc 变小， 方向图变宽， 侧 向 辐 射 也 明 显增 加 。 螺旋 臂 的 角 宽 度 δ 对 方 向 图 影响 不 太 明 显 ， 但 当 δ = π / 2 时能 获 得 最 大 的 前 后 辐 射 比 。 当 天线的 结 构 参 数 2 θ0 、 αc 、 δ 确定后 ， 工 作 带宽 主 要 受 锥 顶 和 锥底 的 直 径 ( d 和 D ) 限制。 一般来说， 锥 顶 的 周 长 应 小 于 工 作 频带 内 的 最 短 波 长 λ min ， 以保证 图2 锥面螺旋( 单臂) 结构示意图
3
3． 1
理论参数设计
平面等角螺旋天线的理论参数设计 ［5 ］ 等角螺旋 基本结构参数如图 1 所示， 等角螺旋的每 一 臂 都 是 由两 条 起 始 角 相 差 为 δ 的 等 角 螺旋线 r 3 = r 0 e a ( － π) r 4 = r 0 e a( － π － δ ) ( 1)
构成。两臂的四条边缘公式分别是 r 1 = r 0 e a r 2 = r 0 e a( － δ )
r0 为对应螺旋起始角时的矢径; δ 是一个与 无关的常数， 1 / a = tanα 称为螺旋率， 式 中， α 称为螺旋角; r1 、 r2 分别为两臂的外边缘， r3 、 r4 分别为内边缘; δ 称为螺旋臂的角宽度。 δ = π / 2 时成为互补等角螺旋结构。 一般来说， 天线 臂 长 越 大， 则 天线 下 限 工 作 频 率 越 低; 天线 始端 半径越小， 则上限频率越 高。 螺旋 角 α 愈 小螺旋 曲 率 愈 大，电 流 沿 臂 波段特性愈好。 实 验 证 明 ， 这 种天线 在 螺旋线 始端 馈 电 衰减 愈 快 ， 后， 随着对中心距离的增加， 天线有一个有限长度的辐射有效区， 在其 后约一个波长以外的电流衰减 可 达 到 20dB 左 右， 末 端截 断 不 会对 天 。 线电特性有明显影响 因此它是一种能实际应用的、 在较宽的频率 范 围内有近似非频变特性 的天线。 将 平 面 等 角 螺旋天线 看 作无 限 长 的 自补结构， 按照自补理论， 天线的阻抗理论值应为 188. 5 Ω。实测值 约 为 120 Ω ～ 140 Ω。在实际 应用中， 一 般 都 希望 天线 是 单 向 辐 射的， 因 此都会在平面螺旋天线的一侧装上填充吸波材料的背腔， 背腔会吸 收 图 1 平面等角螺旋结构示意图 天线一侧的辐射能量， 使得天线为单向辐射。 平面等角螺旋天线的辐射特点是: 对某 一 工 作 波 长 λ 的 辐 射 有 效区 域 为 直 径 约 等 于 λ / π 的 圆 周 附 近。 因此针对螺旋天线工作的下限工作频 率 的波 长 λ max 可 以大 致决 定 平 面 等 角 螺旋天线的 口 径， 为 确保 r0 = 0. 05 λ min ， a = 0. 15 。 平面螺旋能够较好地覆盖高频段的辐射， 取口面直径为 0 ． 13 λ max ， 3． 2 锥面螺旋天线的理论参数设计
第 32 卷第 2 期 2011 年 3 月
遥 测 遥 控 Journal of Telemetry， Tracking and Command
Vol． 32 ， №． 2 March 2011

超宽带螺旋 天线 的小 型 化设计
李秋玲， 徐国兵
( 北京遥感设备研究所
摘
北京 100039 )
要: 介绍一种新型的螺旋结构天线， 将平面等角螺旋天线与锥面螺旋天线结合起来， 采用渐变式 的 巴伦 平 衡馈电。
相比传统的平面螺旋天线， 针对同样频带宽度的天线设 计， 这 种 混 合型 螺旋 天线 体 积更 小。 利 用 Ansoft HFSS 电 磁场 仿真 软件对天线进行建模和仿真计算， 并结合仿真结果实际制作了 该 螺旋 天线， 给出了 实 测 结果， 表 明天线可以 在工程 实 际 中 应用。 关键词: 超宽带; 中图分类号: TN82 螺旋天线; 小型化 文献标识码: A 1780 ( 2011 ) 02001406 文章编号: CN11-， 我们将设计一种既能实现超宽带 性能 又 能 有 效 缩 小天线体 积 的天线。具 体 指 标 要求 : 如下 ①天线频带要求 36 倍频程( 最低工作频率 f L 、 最高工作频率 f H ，f H / f L = 36 ) ; ②电压驻波比 不大于 3 ; ③轴比 不大于 3dB ; 直径不大于 λ max / 6 ， 高度不大于 λ max / 6 ( 最大工作波长 λ max ) 。 螺旋天线广泛应用于宽频带领域， 包括平面螺旋天线 和 锥 面 螺旋天线 等 常 用 形式。平 面 螺旋天线 是 ④天线尺寸 一种频率无关结构， 可以实现超宽带， 纵 向 尺寸 小， 但 是 径 向 尺寸 与 天线 最 大 工 作 波 长 成 正 比; 锥 面 螺旋 天线的带宽相对平面螺旋天线窄， 其优势在于工作频率相同时的径向尺寸较平面螺线天线小得多。 结合这两种天线的特点， 在工作频带的 高 频段 采 用平 面 螺旋天线形式， 而 在低 频段 采 用 锥 面 螺旋天 线形式， 这两种形式天线如果能够很好地结合在一起就可以实现在小口径的超宽带辐射特性。 在设计中对馈电方式也做了多种考虑。平面等角螺旋天线 是 平 衡对 称结 构， 其 馈 电 系 统 也 应 采 用平