一種小型平面螺旋天線

1、一種小型平面螺旋天線龍小專1 袁飛2（西南電子設(shè)備研究所，成都 四川，610036）摘 要：平面阿基米德螺旋天線是一種寬頻帶天線，其尺寸由低端工作頻率決定，在許多實(shí)際應(yīng)用中常需對(duì)其進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。本文通過末端離散電阻加載設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。本文結(jié)合設(shè)計(jì)的小型平面馬欠德平衡器饋電裝置，得到了一種小型平面阿基米德螺旋天線。關(guān)鍵詞：平面阿基米德螺旋天線，小型化，電阻加載，平面馬欠德平衡器A Miniaturized Planar Spiral AntennaLong Xiaozhuan 1 Yuan Fei 2(Southwest Institute of Electric Equipment

2、, Chengdu, Sichuan, 610036)Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and its necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discr

3、ete 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 Ma

4、rchand Balun1 引言2 電阻加載平面阿基米德螺旋天線是一種寬頻帶天線，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、輸入阻抗恒定、相位中心固定、輻射圓極化波等特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用1。隨著系統(tǒng)的發(fā)展要求，天線的小型化成為天線設(shè)計(jì)中的重要發(fā)展方向。一般來說，圓形平面阿基米德螺旋天線的外徑至少應(yīng)大于最低工作頻率的波長(zhǎng)除以。若需再擴(kuò)展天線的低端工作頻率，或減小天線的尺寸，則需對(duì)天線進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。在眾多的小型化技術(shù)中，電阻加載不僅可以減小天線的駐波比，還可以顯著減小天線的軸比，其應(yīng)用最為廣泛2。本文采用這種技術(shù)，對(duì)平面阿基米德螺旋天線末端進(jìn)行離散電阻加載，并應(yīng)用所設(shè)計(jì)的小型平面馬欠德平衡器，最終得到

5、一個(gè)工作于2.5GHz6GHz的平面螺旋天線，其總尺寸僅為30mm×25mm。平面阿基米德螺旋天線一般由輻射螺旋面、饋電平衡器和背腔三大部分構(gòu)成。在天線的設(shè)計(jì)中，可先分別對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。輻射螺旋面一般是在一塊圓形的介質(zhì)基板的一個(gè)面上印制兩根或多根螺旋線，螺旋線的半徑隨角度變化而均勻的增加，其極坐標(biāo)方程可表示為：r=r0+a （1）式（1）中，r0是起始半徑，a為螺旋增長(zhǎng)率，是以弧度表示的幅角。雙臂平面阿基米德螺旋天線如圖1（a）所示。平面阿基米德天線一般在螺旋面的中心起始端兩點(diǎn)采用平衡饋電，而主要輻射區(qū)域是集中在平均周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)的那些環(huán)帶上，也稱有效輻射區(qū)。

6、當(dāng)頻率改變時(shí)，有效輻射區(qū)隨之改變，但輻射方向圖基本不變。而當(dāng)有效輻射區(qū)為天線的最外圈區(qū)域·553·時(shí)，其頻率即為天線的最低工作頻率。對(duì)于圓形螺旋面，周長(zhǎng)C=×D=max，則可得天線外徑：D=max/ （2）（a）普通螺旋面 （b）末端電阻加載圖1 阿基米德螺旋面及電阻加載示意圖本文設(shè)計(jì)的天線，其口徑尺寸不大于30mm，工作頻率為2.5 GHz6GHz。由式（2）計(jì)算得天線最低工作頻率為3.18GHz。作為驗(yàn)證，在HFSS中對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。采用厚度為0.508mm的Duroid 5880基材，其介電常數(shù)為2.2，螺旋線寬度和間距均取0.4mm。一般地，螺旋線寬和間

7、距相等的自補(bǔ)型阿基米德螺旋面的輸入阻抗為125左右，因此仿真模擬時(shí)在螺旋面中心處采用125的平衡饋電。在圖2的駐波比和軸向軸比仿真結(jié)果表明，該尺寸的普通輻射螺旋面，不能滿足2.5GHz6GHz的工作要求。（a）駐波比 （b）軸向軸比圖2 普通螺旋面仿真結(jié)果普通輻射螺旋面不能滿足指標(biāo)要求，因此對(duì)其進(jìn)行電阻加載設(shè)計(jì)。阿基米德螺旋天線可視為行波天線，電流由中心饋電處逐漸流向外層。天線上的電流在流過有效輻射區(qū)之后并不明顯的減小，以致天線結(jié)構(gòu)在終端被截?cái)嗪?，電特性將受到一定的影響。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，可在終端進(jìn)行電阻加載，以吸收末端電流，減小終端反射對(duì)天線電性能的影響，改善天線的駐波比和軸比等性能，從

8、而有效擴(kuò)展天線的低端工作頻率。如圖1（b）所示，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可在普通輻射螺旋面的基礎(chǔ)上，取天線的最后半圈進(jìn)行截?cái)啵財(cái)嗵幒附右欢ㄗ柚档馁N片電阻。截?cái)嗍Ｓ嗟膸讞l金屬條帶長(zhǎng)度及焊接的電阻阻值均可作為設(shè)計(jì)和優(yōu)化的參數(shù)，但一般來說，現(xiàn)有的貼片電阻的阻·554 ·值是一定的，因此通常將金屬條帶的長(zhǎng)度作為可變的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文中，將螺旋線的最后半圈分成四段，每段弧長(zhǎng)（即兩個(gè)電阻之間的間距）所對(duì)應(yīng)的角度及每個(gè)加載的電阻阻值如表1所示。表1 末端分段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)角度及加載電阻值65 rad50 rad15 rad50 rad33在HFSS中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電阻加載輻射螺旋面的性能

9、結(jié)果如圖3所示。（a）駐波比 （b）軸向軸比及增益圖3 電阻加載螺旋面仿真結(jié)果從圖3中可見，由于采用末端離散電阻加載設(shè)計(jì)，天線的駐波比和軸向軸比明顯減小，其中駐波比在2.5GHz6GHz頻段內(nèi)小于1.3，軸向軸比在整個(gè)頻段內(nèi)小于2dB。對(duì)比未進(jìn)行電阻加載的普通螺旋面，其駐波比和軸向軸比性能，尤其是低端頻率性能，得到了明顯改善。可見，對(duì)螺旋面進(jìn)行末端離散電阻加載，可有效改善天線的低端頻率特性，擴(kuò)展天線的低端工作頻率。3 平衡器及綜合設(shè)計(jì)從圖1中可見，螺旋面是一種平衡結(jié)構(gòu)，而常用的同軸饋線、微帶線是非平衡結(jié)構(gòu)，如果直接采用非平衡的同軸線、微帶線對(duì)螺旋面饋電，就會(huì)在同軸線外導(dǎo)體外壁或微帶線的地板外側(cè)

10、上形成電流。該電流在空間中的輻射場(chǎng)會(huì)與螺旋面的輻射場(chǎng)疊加，從而影響了原螺旋面的方向圖，造成天線方向圖的歪頭、凹頂?shù)?。其次，自補(bǔ)型螺旋面的輸入阻抗為125左右，而同軸線的特性阻抗為50，如果直接將兩者連接，由于阻抗的不匹配，電磁波會(huì)在連接處產(chǎn)生很大的反射，從而惡化天線的駐波比和增益等性能。平衡器的設(shè)計(jì)就是為了解決上述兩個(gè)問題3。目前常用的寬帶平衡器主要有無限巴倫、微帶線到雙線的轉(zhuǎn)換巴倫和馬欠德平衡器三種。無限巴倫可解決平衡問題，但不能解決阻抗不匹配問題4；微帶線到雙線的轉(zhuǎn)換巴倫可很好的解決寬帶阻抗匹配問題，但不能解決寬帶平衡問題，且一般來說，其漸變線長(zhǎng)度為最低頻率波長(zhǎng)的一半。馬欠德平衡器可同時(shí)解

11、決寬帶平衡與寬帶匹配的問題，被廣泛用作各種平面螺旋天線的平衡器5。馬欠德平衡器及其等效電路圖如圖4所示。從圖4（a）中的等效電路圖可見，輸入端接電長(zhǎng)度為1、特性阻抗為Z1的傳輸線，然后串聯(lián)電長(zhǎng)度為2、特性阻抗為Z2的終端開路傳輸線；并聯(lián)電長(zhǎng)度為3、特性阻抗為Z3的終端短路傳輸線，形成平衡輸出。再經(jīng)過電長(zhǎng)度為4、特性阻抗為Z4的傳輸線進(jìn)行阻抗變換后，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需阻抗的平衡輸出。一般地，串聯(lián)開路線和并聯(lián)短路線的長(zhǎng)度為0/4。當(dāng)頻率變化，其長(zhǎng)度偏離0/4時(shí)，串聯(lián)線和并聯(lián)線的阻抗可以相互補(bǔ)償，從而展寬了工作頻帶。若選取Z1=Z0，Z2=Z0/4，Z3=4Z0時(shí)，上下限工作頻率覆蓋可達(dá)4:1，負(fù)載R=Z0

12、。當(dāng)負(fù)載RZ0時(shí)，可通過調(diào)整開路線和短路線的阻抗值及長(zhǎng)度得到所需的阻抗變換比（R/Z30）和頻率覆蓋范圍。（a）等效電路 （b）同軸型 （c）微帶型圖4 馬欠德平衡器根據(jù)馬欠德平衡器的原理，在HFSS中進(jìn)行微帶線型平衡器的建模和仿真設(shè)計(jì)，模型如圖5（a）所示。仍采用厚度為0.508mm的Duroid 5880基材。輸入端為特性阻抗為50的微帶線，在地板開槽對(duì)應(yīng)處后接長(zhǎng)度約為0/4的開路線，寬度對(duì)應(yīng)于開路線的阻抗；地板中心開槽，槽寬對(duì)應(yīng)于短路線的阻抗；地板在微帶線轉(zhuǎn)折對(duì)應(yīng)處以后寬度逐漸減小，最后減小為所需饋電的螺旋線寬。為了對(duì)螺旋天線進(jìn)行饋電，輸出端設(shè)置為特性阻抗為125的平衡端口。通過HFSS

13、仿真，并對(duì)開路線寬、開槽寬度、長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后得到單個(gè)平衡器和背靠背結(jié)構(gòu)的平衡器仿真結(jié)果如圖6所示。（a）單個(gè)平衡器 （b）背靠背結(jié)構(gòu)圖5 微帶馬欠德平衡器（a）單個(gè)平衡器結(jié)果（b）背靠背結(jié)果圖6 微帶馬欠德平衡器仿真結(jié)果從圖6中可見，本文設(shè)計(jì)的微帶線型馬欠德平衡器在2.5GHz6GHz的駐波比<2，插入損耗<-1dB，可用作平面螺旋天線的饋電裝置。將該平衡器與前述之電阻加載螺旋面結(jié)合，并設(shè)置背腔，最終得到平面螺旋天線模型及仿真結(jié)果如圖7所示。（a）模型 （b）駐波比結(jié)果（c）增益結(jié)果 （d）軸向軸比結(jié)果（e）E面方向圖 （f）H面方向圖圖7 天線整體模型及綜合仿真結(jié)果從圖

14、7的仿真結(jié)果可見，在2.5GHz6GHz的頻段內(nèi)，天線的駐波比2.5，增益-15dBi，軸向軸比3dB，方向圖最大輻射方向?yàn)檎跋?º方向，·555·無波束歪頭和凹頂，主瓣寬度約為60º90º，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。4 結(jié)論本文在普通平面阿基米德螺旋面的基礎(chǔ)上，采用末端離散電阻加載技術(shù)，仿真設(shè)計(jì)了一種小型平面阿基米德螺旋面，并結(jié)合設(shè)計(jì)的平面馬欠德平衡器，所得平面螺旋天線，各項(xiàng)指標(biāo)均圓滿達(dá)到設(shè)計(jì)要求。電阻加載技術(shù)能改善平面螺旋天線的駐波比和軸比等性能，從而擴(kuò)展了天線的工作頻帶，提高了天線的實(shí)用范圍。參 考 文 獻(xiàn)1 林昌祿. 天線工程手冊(cè) M. 北京

15、：電子工業(yè)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 applicationJ. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 1994. 42 (8).4 尹應(yīng)增, 夏靜改, 龔書喜, 劉其中. 寬頻帶微帶傳輸線巴倫的研究J. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 1999. 2.5 J. Dyson. The Equiangular Spiral AntennaJ. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-7, April, 1959.作者簡(jiǎn)介：龍小專，男，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閷拵炀€；袁飛，男，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)和寬帶天線等。·556