一種平面等角螺旋天線及其巴倫的設(shè)計(jì)

1、一種平面等角螺旋天線及其巴倫的設(shè)計(jì)夏成剛（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院）摘要：本文設(shè)計(jì)了一種雙臂平面等角螺旋天線，工作頻率0.4-2GHz。根據(jù)天線的平衡結(jié)構(gòu)和寬帶特性，設(shè)計(jì)了一種微帶梯形結(jié)構(gòu)的巴倫，以便采用50同軸電纜饋電。仿真計(jì)算結(jié)果顯示天線及巴倫具有良好的圓極化及寬帶特性。關(guān)鍵詞：螺旋天線；巴倫；設(shè)計(jì)Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the BalunXIA cheng-gang（School of Electronic and Information Engineering, South China University

2、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 t

3、ype。Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design1 引言 平面等角螺旋天線是一種寬頻帶天線，具有頻帶寬、尺寸小、重量輕、加工方便等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)，因而在超寬帶及RFID等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。常用的平面螺旋天線有阿基米德螺旋天線和平面等角螺旋天線等，這類天線都有互補(bǔ)周期性結(jié)構(gòu)，能夠在較寬頻帶內(nèi)保持天線的輸入主抗基本不變，易于匹配，

4、通常采用巴倫進(jìn)行匹配。本文設(shè)計(jì)了一種雙臂平面等角螺旋天線，并設(shè)計(jì)了匹配的巴倫，通過HFSS仿真計(jì)算，給出了0.4-2GHz范圍內(nèi)天線的增益、阻抗、圓極化軸比及部分頻率點(diǎn)的方向圖。2 平面等角螺旋天線的設(shè)計(jì)2.1 平面等角螺旋天線平面等角螺旋天線是一種完全由角度確定形狀的天線，其曲線方程1為r=r0ea(-0) (2.1)式中：r0是對應(yīng)0時(shí)的矢徑，a為螺旋增長率，0為螺旋的起始角。平面等角螺旋天線如圖1所示。當(dāng)a減小時(shí)，螺旋臂曲度增大，電流沿螺旋臂衰減變快。通常a取值為0.12-1.20，當(dāng)螺旋臂等于或大于一個(gè)波長時(shí)，天線開始呈現(xiàn)出非頻變天線特性，因此通常要求臂長大于一個(gè)波長，天線半徑R則至少

5、等于/4。 圖1 平面等角螺旋天線（=90）等角螺旋天線形式上分為單臂、雙臂、四臂等，在本設(shè)計(jì)中采用雙臂螺旋。等角螺旋天線每一臂都是有一定寬度的，且都是由兩條起始角相差為的等角螺旋線構(gòu)成，在本文中取=90，此時(shí)金屬等角螺旋天線與其空隙部分的形狀完全相同，這樣的結(jié)構(gòu)稱為自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。平面等角螺旋天線輻射圓極化波，最大輻射方向在天線平面兩側(cè)的法線方向上。 2.2 天線的設(shè)計(jì)在本文中設(shè)計(jì)參數(shù)如下：直徑D=600mm,r0=15mm,=900,a=0.194,基板板采用FR4板,厚度h=1.6mm,介電常數(shù)=4.4。3 巴倫的設(shè)計(jì)對一個(gè)互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的天線，由巴比涅原理知：具有兩個(gè)臂無限大的結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線

6、，其輸入阻抗值約為188.5，由于該螺旋天線是平衡雙線對稱結(jié)構(gòu)，其饋電也應(yīng)該采用平衡饋電方式，同軸電纜是最常用的寬帶饋電線，其特性阻抗為50，饋電方式為非平衡饋電。由于本文所設(shè)計(jì)天線并非完全互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，其仿真輸入阻抗值約為140，因此需增加相應(yīng)的平衡-非平衡阻抗轉(zhuǎn)換巴倫。常見的巴倫有瑪春德巴倫（Marchand balun）2、指數(shù)漸變的微帶線巴倫3等，在本文中設(shè)計(jì)了一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)的微帶巴倫4，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的微帶巴倫具有良好的寬帶特性，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：w=0.9mm,w1=6.09mm,w2=20mm h=6.4mm,l=76.6mm,=4.4。 圖2 梯形結(jié)構(gòu)的微帶巴倫整個(gè)天線結(jié)構(gòu)如圖3所

7、示。 圖3 帶巴倫的天線結(jié)構(gòu)圖4仿真結(jié)果采用Ansoft HFSS V.10 進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖5所示，在0.4-2GHz頻段內(nèi)最大反射損耗為-11.5db,同時(shí)仿真計(jì)算了其增益、軸比和部分頻率點(diǎn)方向圖，如圖4-7所示。 圖4 0.4-2GHz 帶巴倫時(shí)天線反射損耗 圖5 0.4-2GHz 帶巴倫時(shí)天線增益 圖6 0.4-2GHz 帶巴倫時(shí)天線圓極化軸比圖7 平面等角螺旋天線方向圖（左為920MHz，右為1700MHz）5結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一種雙臂平面等角螺旋天線及其匹配的巴倫，采用50同軸電纜饋電，工作在0.4-2GHz范圍內(nèi)，在工作頻段內(nèi)增益3-6.8db,s11-11.5db,圓極化軸比2,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)1楊莘元,馬惠珠,張朝柱.現(xiàn)代天線技術(shù).哈爾濱理工大學(xué)出版社.2006.052 N. Marchand, “Transmission-line conversion transformers,” Electronics,vol. 17, no. 12, pp. 142145, Dec. 1944.3宋朝暉,邱景輝,張勝輝等. 一種平面等角螺旋天線及寬頻帶巴倫的研究 J . 制導(dǎo)與引信, 2003, 2 ( 24) 4 Zhenhua Chen, Qunsheng Cao .Study of