寬波段背腔槽隙螺旋天線的設計

1、寬波段背腔槽隙螺旋天線的設計倪文俊 蔣凡杰（中國電子科技集團公司第51研究所，上海 201802）摘要 本文介紹一種寬波段背腔槽隙螺旋天線，該天線具有極寬的頻帶，能在10：1以上帶寬內(nèi)保持較好的圓極化輻射性能，而且能很方便地將頻帶向低頻段擴展。這種天線優(yōu)于普通平面螺旋天線的一個顯著特點就是剖面極低，非常適合于共形。本文介紹了這種天線的一般設計方法，提出了一種改進的饋電方式，制作了一個工作在0.44GHz，直徑175mm，厚25mm的天線樣品，實測結(jié)果能夠滿足工程使用要求。關鍵詞 螺旋天線、槽隙螺旋天線、寬帶天線、共形天線中圖分類號 Design of Broadband Cavity-Back

2、ed Slot Spiral AntennaNI Wen-jun, JIANG Fan-jie(Shanghai Research Institute of Microwave Equipment ,Shanghai 201802,China)Abstract In this paper,a broadband cavity-backed slot spiral antenna is proposed. Antennas of this kind can maintain excellent near-circular polarization radiation performance ov

3、er a 10:1 bandwidth,and extending its bandwidth toward lower frequency band is very easy. A notable feature of the antenna is the extreme shallow cavity that can be conformally mounted on vehicles. This paper introduced the basic approach of designing the antenna and brought up an improved feed.An a

4、ntenna sample with a diameter of 175mm and a thickness of 25mm delivers an excellent radiation performance from 0.4GHz to 4GHz.The sample is qualified to the engineering applications.Key words spiral antenna, slot spiral antenna, broadband antenna,conformal antenna1 引言槽隙螺旋天線可近似看成是平面螺旋天線的互補形式，因而它與平面螺

5、旋天線一樣，也是一種非頻變天線，并具有超寬的頻帶，穩(wěn)定的增益和較低的軸比。大家知道，平面螺旋天線為獲得單向輻射圖，必須在天線面的一側(cè)放置一個填滿吸收材料的背腔。這是因為平面螺旋天線依賴電流（在導電的螺旋線上流動）的輻射，電流產(chǎn)生的腔反射波與向外的輻射波在相位上是不一致的，除非腔足夠深（通常為最低工作波長的1/4）或者腔內(nèi)填滿了吸收材料，這樣一來，不但損失了至少3dB的增益，也增加了天線厚度。而槽隙螺旋天線則利用槽線進行輻射，激勵槽線的是磁流而非電流，因此可以用一個淺至最低工作波長1/101/100的背腔加強（而非吸收）輻射1，使得增益提高而剖面降低。在需要共形設計的場合，選擇槽隙螺旋天線是非常

6、合適的。2 天線結(jié)構一般，槽隙螺旋天線由巴倫與饋電、螺旋槽終端電阻和背腔三大部分構成。在天線的一面，蝕刻有兩條互繞且中心相連的阿基米德螺旋形槽線，最外圈的一段槽線上旋轉(zhuǎn)對稱地跨接著兩組終端電阻，用來降低軸比；在天線的另一面，一條微帶線以背面構成輻射槽的金屬區(qū)域作為其金屬地，沿螺旋線由外而內(nèi)繞至天線中心，在穿過天線中心后通過一個金屬化孔的過孔與背面金屬地連接，這條被稱為“無限巴倫2”的漸變微帶線同時起到了巴倫和阻抗?jié)u變的作用；另外，為使天線單向輻射，刻有槽線的一面還需要增加一個反射背腔。大多數(shù)資料中介紹的槽隙螺旋天線都使用了上面介紹的這種平面“無限巴倫”完成饋電與阻抗變換34。在天線的輸入端，同

7、軸系統(tǒng)的阻抗為50，而槽線的阻抗一般設計在120140左右，也就是說微帶線在天線中心的阻抗應為6070，這樣即使不采取阻抗?jié)u變，端口反射系數(shù)也不至過大。因此我們采用了在天線中心由同軸電纜直接垂直饋電的方式，電纜外皮焊接在背面的一側(cè)金屬地上，內(nèi)芯穿過基板后再回接到另一側(cè)金屬地上。這種方式使天線的駐波曲線呈現(xiàn)出“高通”的特性，同時減小了饋線損耗，并使天線的饋電點基本處于天線面中心，方便安裝使用，天線面也由以前的雙面板簡化成了單面板。我們研制的天線面實物如圖1、2所示：圖1. 天線面正面（無金屬層，只有中心饋電）圖2. 天線面背面（顯示了輻射槽、終端電阻和同軸饋電，為觀察方便，拿開了背腔）3 設計方

8、法本文給出的槽隙螺旋天線口徑為175mm，工作頻率范圍為0.44GHz，基板選用厚度0.8mm，介電常數(shù)4.4的環(huán)氧板。首先確定天線口徑。一般，輻射槽的最大外徑D max 按（1）式計算： （1）式中為最低工作頻率對應的波長。考慮到還需要留出約半圈的空間用于接螺旋槽終端電阻，總口徑可略取大些。但如果降低對低頻段增益的要求，可通過增加終端電阻數(shù)量和增大阻值的方法來減小天線口徑。由于文中所述的天線有尺寸限制，因此總口徑僅取175mm。在天線設計中，阿基米德螺旋線的增長率一般在0.20.3 cm/rad之間，本文所述的天線螺旋增長率取0.28cm/rad。天線的槽寬始終固定為0.76mm，槽與槽之間

9、金屬的寬度為8mm，此時槽阻抗約為120。終端電阻的作用是為了吸收發(fā)射波，實現(xiàn)低軸比，同時具有調(diào)節(jié)頻率下限的作用。本文采用了140個等距分布終端電阻，每條槽臂上各70個，阻值由最外向內(nèi)逐漸變大，從150漸變到2000。如果希望工作頻率進一步降低，可在內(nèi)圈繼續(xù)增加大阻值電阻，但這樣會使天線增益降低。背腔深度可以做得很小，但腔深過小會使增益降低，本文所述天線腔深23mm，約為最大工作波長的1/30。4 實驗結(jié)果根據(jù)以上設計參數(shù)制作出的槽隙螺旋天線具有極好的寬頻帶特性和輻射特性。實測的駐波曲線如圖3所示： 圖3. 0.44GHz槽隙螺旋天線駐波曲線實測的方向圖曲線如圖4所示：圖4. 0.44GHz槽

10、隙螺旋天線方向圖曲線圖中3GHz時有一個面的方向圖中出現(xiàn)了約3dB的凹坑，這是由于TM110和TM210模式在腔體中諧振造成的。實測的天線增益曲線如圖5所示：圖5. 0.44GHz槽隙螺旋天線增益曲線5 結(jié)論本文給出的這種寬波段背腔槽隙螺旋天線在0.44GHz具有很好的輻射特性，實際的駐波帶寬更寬，工作頻率也可以輕易下擴0.2GHz，而天線面直徑僅175mm，總厚度僅25mm。此外通過簡化饋電方法，降低了設計難度，改善了天線的寬頻帶特性。參考文獻1 J.L.Volakis,M.W.Nurnberger,and D.S. Filipovic. A broadband Cavity-Backed

11、Slot Spiral AntennaJ. IEEE Antenna and Propagation Magizines. vol.43, No.6, December 2001. 2 J.D.Dyson. The Equiangular Spiral AntennaC. IRE Transactions on Antennas and Propagation. AP-7, pp.181-187, April 1959. 3 M.Turner,Spiral Slot AntennaP.US Patent No.2,863,145,Issued December 2, 1958. 4 Tayfun Ozdemir,M.W. Nurnberger,and J.L.Volakis.A Thin Cavity-Backed Archimedean Slot Spiral for 800-3000MH