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，在許多實際應用中常需對其進行小型化設計。本文通過末端離散電阻加載設計，實現(xiàn)了天線的小型化。本文結合設計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，因其具有結構緊湊、重量輕、輸入阻抗恒定、相位中心固定、輻射圓極化波等特點，在諸多領域有著重要的應用1。隨著系統(tǒng)的發(fā)展要求，天線的小型化成為天線設計中的重要發(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大于最低工作頻率的波長除以。若需再擴展天線的低端工作頻率，或減小天線的尺寸，則需對天線進行小型化設計。在眾多的小型化技術中，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，其應用最為廣泛2。本文采用這種技術，對平面阿基米德螺旋天線末端進行離散電阻加載，并應用所設計的小型平面馬欠德平衡器，最終得到

5、一個工作于2.5GHz6GHz的平面螺旋天線，其總尺寸僅為30mm25mm。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成。在天線的設計中，可先分別對三個部分進行設計，然后再進行綜合設計。輻射螺旋面一般是在一塊圓形的介質基板的一個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采用平衡饋電，而主要輻射區(qū)域是集中在平均周長為一個波長的那些環(huán)帶上，也稱有效輻射區(qū)。當頻率改變時

6、，有效輻射區(qū)隨之改變，但輻射方向圖基本不變。而當有效輻射區(qū)為天線的最外圈區(qū)域553時，其頻率即為天線的最低工作頻率。對于圓形螺旋面，周長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計的天線，其口徑尺寸不大于30mm，工作頻率為2.5 GHz6GHz。由式（2）計算得天線最低工作頻率為3.18GHz。作為驗證，在HFSS中對其進行仿真模擬。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，螺旋線寬和間距相等的自補型阿基米德螺旋面的輸入阻抗為125左

7、右，因此仿真模擬時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 普通螺旋面仿真結果普通輻射螺旋面不能滿足指標要求，因此對其進行電阻加載設計。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，以致天線結構在終端被截斷后，電特性將受到一定的影響。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，可在終端進行電阻加載，以吸收末端電流，減小終端反射對天線電性能的影響，改善天線的駐波比和軸比等性能，從而有效擴展天線的低端工作頻率。如圖1（b）所示，

8、在實際工程設計中，可在普通輻射螺旋面的基礎上，取天線的最后半圈進行截斷，截斷處焊接一定阻值的貼片電阻。截斷剩余的幾條金屬條帶長度及焊接的電阻阻值均可作為設計和優(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度作為可變的參數(shù)進行優(yōu)化設計。本文中，將螺旋線的最后半圈分成四段，每段弧長（即兩個電阻之間的間距）所對應的角度及每個加載的電阻阻值如表1所示。表1 末端分段長度對應角度及加載電阻值65 rad50 rad15 rad50 rad33在HFSS中進行仿真計算，得到電阻加載輻射螺旋面的性能結果如圖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

9、真結果從圖3中可見，由于采用末端離散電阻加載設計，天線的駐波比和軸向軸比明顯減小，其中駐波比在2.5GHz6GHz頻段內小于1.3，軸向軸比在整個頻段內小于2dB。對比未進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?？梢?，對螺旋面進行末端離散電阻加載，可有效改善天線的低端頻率特性，擴展天線的低端工作頻率。3 平衡器及綜合設計從圖1中可見，螺旋面是一種平衡結構，而常用的同軸饋線、微帶線是非平衡結構，如果直接采用非平衡的同軸線、微帶線對螺旋面饋電，就會在同軸線外導體外壁或微帶線的地板外側上形成電流。該電流在空間中的輻射場會與螺旋面的輻射場疊加，從而影響了原螺

10、旋面的方向圖，造成天線方向圖的歪頭、凹頂?shù)取Ｆ浯?，自補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。平衡器的設計就是為了解決上述兩個問題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，其漸變線長度為最低頻率波長的一半。馬欠德平衡器可同時解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

11、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，輸入端接電長度為1、特性阻抗為Z1的傳輸線，然后串聯(lián)電長度為2、特性阻抗為Z2的終端開路傳輸線；并聯(lián)電長度為3、特性阻抗為Z3的終端短路傳輸線，形成平衡輸出。再經(jīng)過電長度為4、特性阻抗為Z4的傳輸線進行阻抗變換后，實現(xiàn)對所需阻抗的平衡輸出。一般地，串聯(lián)開路線和并聯(lián)短路線的長度為0/4。當頻率變化，其長度偏離0/4時，串聯(lián)線和并聯(lián)線的阻抗可以相互補償，從而展寬了工作頻帶。若選取Z1=Z0，Z2=Z0/4，Z3=4Z0時，上下限工作頻率覆蓋可達4:1，負載R=Z0。當負載RZ0時，可通過調整開路線和短路線的阻抗值及長度得到所需的阻抗變

12、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中進行微帶線型平衡器的建模和仿真設計，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，在地板開槽對應處后接長度約為0/4的開路線，寬度對應于開路線的阻抗；地板中心開槽，槽寬對應于短路線的阻抗；地板在微帶線轉折對應處以后寬度逐漸減小，最后減小為所需饋電的螺旋線寬。為了對螺旋天線進行饋電，輸出端設置為特性阻抗為125的平衡端口。通過HFSS仿真，并對開路線寬、開槽寬度、長度等參數(shù)進行優(yōu)化，最后得到單個平衡器和背

13、靠背結構的平衡器仿真結果如圖6所示。（a）單個平衡器 （b）背靠背結構圖5 微帶馬欠德平衡器（a）單個平衡器結果（b）背靠背結果圖6 微帶馬欠德平衡器仿真結果從圖6中可見，本文設計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合，并設置背腔，最終得到平面螺旋天線模型及仿真結果如圖7所示。（a）模型 （b）駐波比結果（c）增益結果 （d）軸向軸比結果（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果從圖7的仿真結果可見，在2.5GHz6GHz的頻段內，天線的駐波比2.5，增益-15dBi，

14、軸向軸比3dB，方向圖最大輻射方向為正前向0方向，555無波束歪頭和凹頂，主瓣寬度約為6090，滿足系統(tǒng)指標要求。4 結論本文在普通平面阿基米德螺旋面的基礎上，采用末端離散電阻加載技術，仿真設計了一種小型平面阿基米德螺旋面，并結合設計的平面馬欠德平衡器，所得平面螺旋天線，各項指標均圓滿達到設計要求。電阻加載技術能改善平面螺旋天線的駐波比和軸比等性能，從而擴展了天線的工作頻帶，提高了天線的實用范圍。參 考 文 獻1 林昌祿. 天線工程手冊 M. 北京：電子工業(yè)出版社, 2002.2 H. Nakano, H. Mimaki, J. Yamauchi, and K. Hiroset. A Low

15、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 尹應增, 夏靜改, 龔書喜, 劉其中. 寬頻帶微帶傳

16、輸線巴倫的研究J. 電波科學學報, 1999. 2.5 J. Dyson. The Equiangular Spiral AntennaJ. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-7, April, 1959.作者簡介：龍小專，男，助理工程師，主要研究領域為寬帶天線；袁飛，男，工程師，主要研究領域為計算電磁學和寬帶天線等。556 一種小型平面螺旋天線作者：作者單位：龍小專， 袁飛西南電子設備研究所,成都 四川,610036本文讀者也讀過(10條)1. 張聞超.王雄.刁鵬 改進型平面螺旋天線的設計與研究會議論文-20092. 陳小娟.袁乃昌 平面螺旋天線的設計與實現(xiàn)會議論文-20043. 陳小娟.袁乃昌 平面螺旋天線的設計與實現(xiàn)期刊論文-電波科學學報2004,19(z1)4. 李連輝 高效率、寬頻帶平面螺旋天線的設計與分析會議論文-20025. 易禮智.YI Lizhi 寬帶平面螺旋天線的研究與設計期刊論文-現(xiàn)代電子技術2008,31(11)6. 楊琴.張安學.蔣延生 基于EBG結構的阿基米德平面螺