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，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