一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计

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宽带平面螺旋天线的研究与设计

宽带平面螺旋天线的研究与设计作者：易礼智来源：《现代电子技术》2008年第11期摘要：平面螺旋宽带天线具有频带较宽、体积较小、圆极化性能较好等特点，应用范围很广。

但是这种天线增益较低，馈电匹配较难实现，尤其是前者，使得其性能大打折扣。

通过研究影响平面螺旋宽带天线增益和馈电匹配的主要因素，设计了2~7 GHz范围内的宽频带平面螺旋天线。

理论分析和仿真实验结果表明，对改善平面螺旋宽带天线的性能有一定的工程参考价值。

关键词：阿基米德螺旋天线；宽频带；圆极化性；巴伦中图分类号：TN82 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)11-108-Research and Design of Wideband Planar Spiral Antenna(Hunan Engineering Polytechnic College,Changsha,410151,China)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.Keywords：Archimedean spiral antenna;wideband;circularly polarizing;Cumberland平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其频带较宽、尺寸小、重量轻、容易实现圆极化而在超宽带及抗干扰等技术中得以广泛应用。

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

平面等角螺旋天线及巴伦的设计

平面等角螺旋天线及巴伦的设计随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和设计受到了广泛。

其中，平面等角螺旋天线（Planar Inverted-F Antenna，简称PIFA）以及巴伦（Balun）是两种常用的天线和平衡转换器设计。

本文将介绍这两种天线的特点、设计原理和参数，旨在帮助读者深入了解其优势和应用场景。

平面等角螺旋天线是一种常见的宽带天线，具有体积小、易共形、易集成等优点。

它由一个平面的辐射元和一个螺旋状的地面构成，通过调整辐射元和地面的尺寸以及螺旋的匝数，可以实现在宽频带内的良好辐射性能。

平面等角螺旋天线的辐射原理主要依赖于螺旋的电流分布。

当高频电流在螺旋上流动时，会产生一个向外扩散的磁场，从而形成辐射。

由于螺旋的等角特性，电流在整个螺旋上均匀分布，使得天线在宽频带内具有稳定的辐射方向图和阻抗特性。

平面等角螺旋天线的特点在于其宽频带性能和易共形性。

通过改变螺旋的匝数和辐射元的尺寸，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持稳定的阻抗特性和辐射方向图。

在设计时，需要考虑的主要参数包括辐射元的尺寸、螺旋的匝数、介质基板的厚度和相对介电常数等。

巴伦是一种用于将不平衡的信号转换为平衡的信号，或反之亦然的平衡转换器。

在天线设计中，巴伦被广泛应用于将天线的不平衡信号转换为平衡信号，以实现更好的辐射性能。

下面以常见的威尔金森巴伦为例，介绍其设计原理和特点。

威尔金森巴伦是一种经典的巴伦设计，它利用两个对称的线绕线圈来实现不平衡到平衡的转换。

在线绕线圈的中心连接不平衡信号源，在线绕线圈的两侧连接平衡信号端口。

通过调整线圈的匝数和半径，以及源阻抗和负载阻抗的匹配，可以实现信号的高效传输。

威尔金森巴伦的特点在于其宽带性能和高效传输。

通过调整线圈的匝数和半径，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持高效传输。

在设计时，需要考虑的主要参数包括线圈的匝数和半径、源阻抗和负载阻抗的匹配等。

平面等角螺旋天线和巴伦是两种常用的天线和平衡转换器设计，具有广泛的应用场景。

一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计

2013年第06期，第46卷通信技术 Vol.46，No.06,2013 总第258期 Communications Technology No.258,Totally一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计罗旺（电子科技大学物理电子学院，四川成都 611731）【摘要】分析了平面螺旋天线的研究方法，并设计了工作于2～12 GHz的新颖的超宽带平面等角螺旋天线，由天线的宽带特性指标和平衡结构特性，天线两臂的辐射部分设计了一种带环状贴片的天线辐射结构，使圆极化轴比带内小于3 dB，天线馈电部分设计了一种阻抗为指数渐变和梯形渐变相结合的双线形式微带线宽带巴伦，并可采用50 Ω同轴探针馈电，使带内反射系数小于-10 dB。

测试结果表明，馈电的微带巴伦和天线带环状的结构形式都表现出良好的宽频带和圆极化特性。

【关键词】宽带巴伦；平面等角螺旋天线；圆极化轴比；反射系数【中图分类号】TN822 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2013)06-0012-03 Design of A Novel Ultra-wideband Planar Equiangular Spiral AntennaLUO Wang(College of Physical Electronics, ESTUC, Sichuan Chengdu 611731, China)【Abstract】The planar spiral antenna research methods are analyzed, and the planar equiangular spiral antenna working in 2～12 GHz novel ultra-wideband is designed. For the balanced structure and broadband characteristics of the antenna, a belt-ring stickers antenna radiating structure for the antenna radiation part is designed, so that the circular polarization axis is less than 3dB than the band, while a two-form microstrip line broadband balun combining the impedance index gradient and trapezoidal grodient is designed for the antenna feed part, and 50Ω coaxial probe feed may also be adopted, so that the reflection coefficient could be less than -10dB band. The measurement results indicate that both the antenna and the balun exhibit good circular polarization and broad-band property.【Key words】broadband balun; planar equiangular spiral antenna; circular polarization axial ratio; reflection coefficient0 引言平面螺旋天线是一种比较常见的超宽带天线，它本身属于非频变天线系列。

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计夏成刚（华南理工大学电子与信息学院）摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。

根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。

仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。

关键词：螺旋天线；巴伦；设计Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun XIA cheng-gang（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。

Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design1 引言平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。

利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要

利用HFSS设计平面等角螺旋天线杜起飞北京理工大学电子工程系 100081摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。

关键词：HFSS、等角螺旋天线、宽带匹配1. 引言天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。

一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。

有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。

本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。

2. 利用HFSS设计平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS中的模型如图1所示。

它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。

2.1 平面等角螺旋天线图1 平面等角螺旋天线在HFSS中的模型图2 自补形平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。

边缘1的方程为边缘1旋转角δρ1=ρ0eaφ，边缘2相对于a(φ−δ)ρ=ρe20，故其方程为。

天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有ρ3=ρ0ea(φ−π)和ρ4=ρ0ea(φ−δ−π)。

图中的结构是自补形，因而δ=π/2。

自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：⎧ρ1=ρ0eaφ⎪π⎪ρ=ρea(φ−2⎪2 (1) 0⎨a(φ−π)⎪ρ3=ρ0e⎪πa(φ−π−)2⎪⎩ρ4=ρ0e- 74 - Ansoft2004对于自补形结构，方向图的对称性最好。

由于平面等角螺旋天线的表面边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的所有要求。

2.2 馈电电路板由于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衡馈电方式。

超宽带低剖面平面螺旋天线的研究与设计

超宽带低剖面平面螺旋天线的研究与设计笪策【摘要】平面螺旋天线具有频带较宽、体积较小、圆极化性能较好等特点,在电子对抗中应用广泛.通过研究影响阿基米德平面螺旋天线带宽和剖面的主要因素,设计平面螺旋辐射器、微带馈电巴伦以及反射背腔,从而设计了在2～40 GHz频带范围内具有良好特性的平面螺旋天线.文章通过调整辐射器阻抗降低了巴伦长度,从而降低了天线剖面厚度,并且通过设计金属背腔增强了前向增益.仿真结果显示,所设计天线的频带较宽,并且圆极化特性良好.【期刊名称】《无线互联科技》【年(卷),期】2018(015)004【总页数】4页(P75-78)【关键词】平面螺旋天线;宽带;低剖面;巴伦;背腔【作者】笪策【作者单位】电子科技大学,四川成都 610054【正文语种】中文随着科学技术的不断发展，电子技术在军事领域的应用日益广泛，几乎全部的现代化武器系统都依赖于电子系统的技术效能。

由于在现代战争中，电磁环境越来越复杂，电子对抗的地位也变得越来越重要[1-3]。

虽然传统的干扰和抗干扰方式已有相应的措施与之抗衡，但是随着新体制雷达的不断出现和发展，电子对抗出现了更大的挑战。

电子对抗技术要求具有对低载获雷达的信息截获能力以及对宽带大功率雷达的干扰能力，由于系统带宽的不断提高，这就要求收发天线的带宽必须不断展宽来适应现代雷达的高分辨率[4]。

非频变天线的阻抗特性与方向图不会随频率变化，因此非频变天线是一种超宽带天线，在电子对抗中具有广泛应用[5]。

非频变天线基于拉姆塞原理，其形状只由角度决定，尺寸可以为无限长。

在实际应用中，天线的尺寸是有限的，这决定了电流应随着与输入端距离的增大而减小，并在电流极小的位置截断天线。

平面螺旋天线是一种非频变天线，因此具有超宽带特性。

1 天线的设计1.1 阿基米德螺旋天线双臂阿基米德螺旋天线是由两条旋转对称的螺旋线组成，螺旋线在极坐标中的方程如下：r0表示起始半径，a表示增长率，φ表示角度。

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一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计
夏成刚
（华南理工大学电子与信息学院）
摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。

根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。

仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。

关键词：螺旋天线；巴伦；设计
Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun
XIA cheng-gang
（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。

Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.
Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design
1 引言
平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。

常用的平面螺旋天线有阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线等，这类天线都有互补周期性结构，能够在较宽频带内保持天线的输入主抗基本不变，易于匹配，通常采用巴伦进行匹配。

本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，并设计了匹配的巴伦，通过HFSS仿真计算，给出了0.4-2GHz范围内天线的增益、阻抗、圆极化轴比及部分频率点的方向图。

2 平面等角螺旋天线的设计
2.1 平面等角螺旋天线
平面等角螺旋天线是一种完全由角度确定形状的天线，其曲线方程[1]为
r=r0e a(Φ-Φ0) (2.1)
式中：r0是对应Φ0时的矢径，a为螺旋增长率，Φ0为螺旋的起始角。

平面等角螺旋天线如图1所示。

当a减小时，螺旋臂曲度增大，电流沿螺旋臂衰减变快。

通常a取值为0.12-1.20，当螺旋臂等于或大于一个波长时，天线开始呈现出非频变天线特性，因此通常要求臂长大于一个波长，天线半径R则至少等于λ/4。

图1 平面等角螺旋天线（δ=90）
等角螺旋天线形式上分为单臂、双臂、四臂等，在本设计中采用双臂螺旋。

等角螺旋天线每一臂都是有一定宽度的，且都是由两条起始角相差为δ的等角螺旋线构成，在本文中取δ=90，此时金属等角螺旋天线与其空隙部分的形状完全相同，这样的结构称为自互补结构。

平面等角螺旋天线辐射圆极化波，最大辐射方向在天线平面两侧的法线方向上。

2.2 天线的设计
在本文中设计参数如下：直径D=600mm,r0=15mm,δ=900,a=0.194,基板板采用FR4板,厚度h=1.6mm,介电常数ε=4.4。

3 巴伦的设计
对一个互补结构的天线，由巴比涅原理知：具有两个臂无限大的结构的互补结构天线，其输入阻抗值约为188.5Ω，由于该螺旋天线是平衡双线对称结构，其馈电也应该采用平衡馈电方式，同轴电缆是最常用的宽带馈电线，其特性阻抗为50Ω，馈电方式为非平衡馈电。

由于本文所设计天线并非完全互补结构，其仿真输入阻抗值约为140Ω，因此需增加相应的平衡-非平衡阻抗转换巴伦。

常见的巴伦有玛春德巴伦（Marchand balun）[2]、指数渐变的微带线巴伦[3]等，在本文中设计了一个梯形结构的微带巴伦[4]，如图2所示。

这种结构的微带巴伦具有良好的宽带特性，设计参数如下：w=0.9mm,w1=6.09mm,w2=20mm h=6.4mm,l=76.6mm,ε=4.4。

图2 梯形结构的微带巴伦
整个天线结构如图3所示。

图3 带巴伦的天线结构图
4仿真结果
采用Ansoft HFSS V.10 进行仿真计算，如图5所示，在0.4-2GHz频段内最大反射损耗为-11.5db,同时仿真计算了其增益、轴比和部分频率点方向图，如图4-7所示。

图4 0.4-2GHz 带巴伦时天线反射损耗
图5 0.4-2GHz 带巴伦时天线增益
图6 0.4-2GHz 带巴伦时天线圆极化轴比
图7 平面等角螺旋天线方向图（左为920MHz ，右为1700MHz ）
5结论
本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线及其匹配的巴伦，采用50Ω同轴电缆馈电，工作在0.4-2GHz 范围内，在工作频段内增益3-6.8db,s11<-11.5db,圆极化轴比<2,达到了预期设计指标。

参考文献
[1]杨莘元,马惠珠,张朝柱.现代天线技术.哈尔滨理工大学出版社.2006.05
[2] N. Marchand, “Transmission -line conversion transformers,” Electronics ,vol. 17, no. 12, pp. 142–145, Dec. 1944.
[3]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)
[4] Zhenhua Chen, Qunsheng Cao .Study of A Two-arm Sinuous Antenna and the Relevant Wideband Balun. IEEE
Conference Record-Abstracts 2006 IEEE Internation Conference。