一种超宽带平面螺旋天线的设计与研究

一种超宽带平面螺旋天线的设计与研究作者：曾嘉诚

来源：《科学与财富》2020年第19期

摘要：平面螺旋天线具有宽频带、小体积、易共形等特性，因此广泛应用在电子对抗领域。文章设计了一种低剖面高增益的超宽带平面螺旋天线，该天线能够工作在1-40GHz的频段内。用一种经指数切削的同轴馈电巴伦对天线进行馈电，满足了天线的馈电平衡和阻抗匹

配，同时通过在天线背面加载异型反射腔提高天线的正向增益。经一系列的仿真优化，其结果表明天线具有良好的宽频带特性、较大的功率容量和较好的圆极化特性。

关键词：平面螺旋天线;宽带;巴伦;反射腔

现如今电子信息技术已经得到了蓬勃的发展，电子技术也已广泛应用在军事领域中，几乎所有的现代化武器系统都已实现了信息化。在日益复杂的电磁环境下，电子对抗技术也就变得更加重要[1-3]。

在上世纪50年代，Rumsey等人提出了频率无关天线的概念，这类天线的电性能参数在相当宽的频带范围内保持不变或变化很小。频率无关天线也称为非频变天线，根据Rumsey原理，其结构只与角度有关，这也表示天线的尺寸可以无限大[4-6]。实际运用中，因尺寸限制往往要求天线在某点处截断时，天线性能不受影响或可忽略不计，即需满足截断原则。平面螺旋天线作为一类经典的非频变天线，在电子对抗技术已得到了广泛的使用，如预警机的雷达[7]。

1平面螺旋天线设计

本文设计的是双臂阿基米德螺旋天线，其结构在极坐标下可用如下方程表示：

式中r0表示天线的起始半径;α为增长率;为角度;为起始方位角，本文中分别设置为0和π。事实上阿基米德螺旋天线并不完全满足Rumsey原理，不是一个真正的非频变天线。下面根据阿基米德螺旋天线的辐射机理，解释其为什么拥有很宽的频带。阿基米德螺旋天线存在一个辐射激活区，远区场的辐射主要依赖于这一激活区，激活区外所产生的场几乎对远区辐射场没有影响。在周长为一个波长的区域附近，两臂上的电流几乎同向所产生的辐射场在螺旋平面法向方向上相互叠加产生强辐射，这一区域就是辐射激活区。随着波长（也就是频率）的变化，激活区的位置也在不断变化，这使得阿基米德螺旋天线具有非频变特性[8]。且由于天线的对称结构使得电流在空间的分布几乎正交且大小几乎相等，所以天线辐射场为圆极化[9]。

阿基米德螺旋天线的输入阻抗与设计的金属线宽有关。当金属线宽等于螺旋缝隙宽度时，天线呈互补结构，按照Babinet原理其理论输入阻抗应为60πΩ，实际测得阻抗值约为120～140Ω。

一般情况下天线外径R和内径r0应满足如下要求

本文在CST中建立的模型如下图所示

设置为0.2mm，R设置为63mm。如图所示在外围对阿基米德螺旋天线进行了正弦加载，正弦加载可有效增加天线的电长度，从而减小天线的尺寸，正弦加载的幅值为0.4[10]。在天

线末端进行了切削处理，可有效减小末端的反射电流。经过一系列的仿真优化，最终螺旋增长率a取0.48，金属线宽为0.9mm。

2宽频带馈电巴伦

阿基米德螺旋天线为平衡结构，所需的馈电结构也为平衡结构，而传统的同轴线馈电和微带线馈电均为非平衡结构馈电，因此需要非平衡-平衡的转换装置[11-12]。文中设计阿基米德螺旋线的输入阻抗为108Ω，为与50Ω的同轴激励匹配需要阻抗变换装置，且该装置需满足阿基米德螺旋天线的宽带要求。渐变线阻抗变换器可同时满足阻抗变换与平衡转换，如图2 所示为同轴切削巴伦

如图所示对同轴馈电的外导体进行指数切割使得末端变成内导体相同的结构，在末端形成平行双线，实现非平衡-平衡的转换。通过调整末端的轴间距或半径大小调整末端的阻抗以实现与天线的阻抗匹配。渐变线结构意味着特征阻抗沿长度是连续变化的，存在无限多的阶梯阻抗变换器，即拥有良好的宽频带性能。本文所设计的同轴切削馈电巴伦，下端与同轴馈电相连，特征阻抗为50Ω，内导体半径为0.25mm，外导体内径为0.58mm，外径为1.2mm。上端口分别与螺旋天线两臂相连，末端外导体半径为0.25mm，轴间距为0.7mm。通常巴伦的长度设计为最大工作波长的一半，为减小天线整体的剖面高度，进行一系列的仿真优化，最终设计同轴切削巴伦长为44mm，在1-40GHz的工作频带内的回波损耗均满足要求。

3反射腔设计

平面阿基米德螺旋天线具有双向辐射特性，实际运用中往往只需要单向辐射，通常采用如下两种方式来实现单向辐射：（1）在天线背面填充吸波材料，通过吸波材料吸收天线的背向辐射。（2）在天线背面添加金屬反射腔，通过金属腔的反射提高天线的正向增益。采用方法一时，天线背向辐射的能量

被吸收以热的形式损耗，辐射效率较低。本文采用方法二来实现单向辐射。通常天线的背腔设计为平底腔，腔体高度为工作波长的四分之一[13-14]。由于阿基米德螺旋天线为宽频带天线，工作波长相差很大，若采用常用的平底腔结构，天线的宽频带特性无法保证，背向的反射波可能与正向波相位相差π（或π的奇数倍）产生相消。本文设计了一种锥形金属反射腔，使天线的辐射激活区与金属反射面的距离约为λ/4，结构如图3所示

4仿真结果分析

将同轴线底部设置为波导端口，对天线模型进行仿真，其相应的仿真结果如图4-8所示。

由图5可以得出天线在1-40GHz的频带范围内阻抗匹配良好，大部分频点的回波损耗低于-15dB。由图6和图7可知加载背腔后，天线在6-40GHz的增益约提高3dBi，在低频处受天线

剖面高度限制不存在反射面，增益与未加载反射腔差异不大;加载背腔后天线的圆极化性能确实受到影响，但在大多数频点上轴比小于3dB，表明天线依然具有良好的圆极化特性。由图8也可看出加载背腔后天线后向辐射减少，正向辐射增多。图9为频率为40GHz输入功率为200w时天线的温度分布图，可以看出温度最高为393K位于同轴巴伦内导体处，辐射器部分的温度低于介质可承受温度，表明天线可以承载较大的功率，有较大的功率容量。

5结束语

文中设计一种工作频带为1-40GHz的平面阿基米德螺旋天线，仿真结果显示所设计的辐射器和宽带馈电巴伦都有良好的宽频带性能和圆极化性能，加载背腔后整个频带都具有较高的增益，且天线具有较大的功率容量。

参考文献：

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