阿基米德螺旋天線小型化研究

阿基米德螺旋天線小型化研究阿基米德螺旋天線小型化研究阿基米德螺旋天線小型化研究阿基米德螺旋天線小型化研究電子與信息技術研究院：田

塽指導教師：宋代暉大綱：本介紹的是利用一種特其余波折臂方法對阿基米德螺旋天線進行小型化，并且經(jīng)過在天線的尾端加載一個圓環(huán)來改良天線的圓極化特色。第一利用軟件對設計的小型化天線及超寬帶饋電巴倫（）進行計算機仿真；此后，依據(jù)仿真結(jié)果，加工最正確構造的天線與巴倫，并進行了丈量。丈量結(jié)果表示本課題對天線小型化的整體分析與設計是合理、有效的.重點詞：阿基米德螺旋天線;超寬帶巴倫;天線小型化：aa。

,a（）。

,

，

。

．：，

,1序言超寬帶（

,

)天線技術是超寬帶雷達和導彈制導系統(tǒng)中的重點技術之一．應用超寬帶天線制導的導彈將擁有很強的信號接收能力和抗攪亂能力,從而可以達到精準制導的軍事目的。所以，超寬帶天線技術擁有極其重要的軍事意義和現(xiàn)實意義。阿基米德平面螺旋天線，作為超寬帶天線的一種形式

,可以做得尺寸很小，也較輕

,并且可以齊安全裝，屬于低輪廓天線

,所以在近來的二十多年里,阿基米德平面螺旋天線獲得了飛快的

,不只在雷達、導彈制導等軍事領域獲得寬泛應用，同時也在民用領域發(fā)揮巨大作用，如它可以同時為系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)供給服務．本課題的研究和設計任務就是找尋一種可以使傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線小型化的方法。適合課題要求的天線及巴倫的設計2。1天線的設計依據(jù)本設計的技術指標和實質(zhì)要求,本文提出的設計思想是采納波折臂的方法對阿基米德螺旋天線進行小型化設計.為了使小型化此后的天線的帶寬、增益、軸比和半功率角寬度都能達到設計指標,要經(jīng)過各樣天線模型與天線參數(shù)的調(diào)整,再經(jīng)過軟件進行計算機仿真，依據(jù)適合的結(jié)果進行實際的設計、制作和測試

.第一利用仿真軟件建模并仿真了傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線題所要設計的天線的工作頻次范圍為０。8—4，由此得外徑

,天線構造如圖２－R=75，內(nèi)徑ｒ

1所示。因為本課=９。３75。經(jīng)過對大批小型化天線模型的仿真

,最后選擇了如圖

2—2

所示的波折臂阿基米德螺旋天線的構造

(此中黑色為金屬良導體

,即天線臂；藍色為聚四氟乙烯敷銅板

,厚

2。5,介電常數(shù)

2。3２)。小型化此后的外徑為

64,即減小了近

1５%．圖2—１標準天線圖２-２小型化天線為了進一步改良高頻段工作特色，小型化螺旋天線的內(nèi)徑改為3，兩饋電點之間距離為4，因為依據(jù)實驗獲得的結(jié)論，當螺旋內(nèi)徑等于螺旋寬度時可以在高頻段獲得較好的.其余,依據(jù)實質(zhì)的制作資料限制,天線的輸入阻抗不可以大于170，所以這里采納改變螺旋臂寬度的方法來調(diào)理天線輸入阻抗。理論上,螺旋臂越寬阻抗值越低。將小型化天線的內(nèi)部三圈改為3寬的螺旋臂，兩臂之間的空隙為3，組成三圈標準的自補型阿基米德螺旋天線,這樣高頻段的阻抗為190左右；從第四圈開始將臂波折化，開始半圈的臂寬為2，此后過渡到外面的一圈半波折臂，臂寬1,這樣做既可以使臂寬漸漸由寬變細，不至于產(chǎn)生突變，也可以使輸入阻抗在中頻段和低頻段的阻抗值分別為150和12０左右。這樣可以使此小型化天線在以１7０饋電的狀況下,≤1。5?？墒?因為此小型化天線的外徑減小了，即最外圈的物理長度減小了，電長度也隨之減小，而螺旋的外面各圈恰巧是低頻段對應的有效輻射區(qū)，所以小型化此后，依據(jù)仿真結(jié)果,對天線的低頻段工作特色有一些影響，特別是對低頻段軸比的影響較大，以0。8為例，小型化此后，與標準天線比較,軸比變差了２．經(jīng)過大批的設計與仿真，找到了一種在天線的尾端加載一圓環(huán)的方法，來改良低頻段的軸比。如圖２-3所示，即是在正面敷有天線的介質(zhì)板反面的一個金屬圓環(huán)(黑色為金屬圓環(huán)）。經(jīng)過改變內(nèi)、外徑的參數(shù)并進行仿真,獲得最正確圓環(huán)的外徑為64，與天線外徑同樣;最正確的內(nèi)徑為６0，其對應的圓周略大于下限工作頻次０.8對應波長。圖２—3

介質(zhì)板反面圓環(huán)

圖2—４軸比比較（０。

8）由圖2-4可見，在低頻端(０。８），小型化天線的軸比優(yōu)于標準天線近4,使軸比獲得很大改良。關于圓環(huán)所起到的作用，可能有以下兩個方面：耦合。因為天線尾端電流與圓環(huán)之間的耦合,圓環(huán)內(nèi)部的電流產(chǎn)生了與螺旋天線圓極化方向同樣的電磁波，從而賠償了天線遠場的圓極化輻射波.。相當于負載電阻。在螺旋尾端產(chǎn)生的反射波所輻射的圓極化波的方向與入射波相反，它嚴重的影響了入射波的遠場極化特色。所以為了防范電流在螺旋最外層的邊緣上反射，平常在螺旋線的尾端接汲取電阻或汲取負載,這樣螺旋線上只載有行波電流，它產(chǎn)生的是圓極化波．其余，為了在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)獲得優(yōu)秀的阻抗般配,也應當將汲取電阻放在下限工作頻次對應的有效輻射區(qū)的外面限工作頻次

,以汲取反射波。依據(jù)仿真結(jié)果，圓環(huán)的最正確內(nèi)徑為0.８對應的有效輻射區(qū)。

60，其對應的圓周長恰巧略大于下在很多文件中都提到，經(jīng)過在螺旋線尾端加負載電阻汲取反射波的方法可以改良和極化特色，可是會降低天線增益.從仿真結(jié)果可以看到,反面加圓環(huán)此后的小型化天線的增益稍微有一些降落。至此,依據(jù)軟件的目標結(jié)果，本文獲得的小型化天線，增益3~６,半功率角大于６0°，圓極化，在以170饋電的狀況下,≤1.５，各項指標均與工作在0。8—４頻段上的標準阿基米德螺旋天線同樣;而小型化天線的外徑減小了15％，由75減小到64。2。2超寬帶巴倫（）的設計本節(jié)波及到的超寬帶天線饋電網(wǎng)絡設計主要包含兩個方面的問題。一方面，在設計饋電網(wǎng)絡之初,考慮到系統(tǒng)帶寬的要乞降實質(zhì)測試條件的需要,采納50同軸線進行饋電.同軸線是傳統(tǒng)的超寬帶、非均衡饋電形式，可是因為本文設計的波折臂阿基米德螺旋天線需要進行等幅反相的均衡饋電，這就引入了饋電系統(tǒng)的非均衡—均衡變換問題。另一方面，依據(jù)軟件的仿真結(jié)果，本文設計的小型化天線的輸入阻抗為170，而實驗丈量采納的同軸饋電線特色阻抗為50，這樣就存在一個阻抗變換問題。所以,本節(jié)介紹的巴倫設計，一是要進行非均衡—均衡饋電的轉(zhuǎn)變，二是要實現(xiàn)阻抗變換。依據(jù)以上設計目的和實質(zhì)要求,本設計采納的是一種以漸變微帶線過渡到平行雙線為基本形式的設計思想,從微帶線過渡到平行雙線可以很好的進行非均衡－均衡饋電方式的變換，同時,又可以通過微帶線寬度和雙線寬度指數(shù)漸變來改變巴倫各點的特色阻抗，使得饋電同軸線阻抗與天線輸入阻抗般配。設計的巴倫構造以下:始端是微帶線構造，為同軸線饋電輸入點，特色阻抗50,采納微帶線構造，依據(jù)介質(zhì)厚度和介電常數(shù)等選擇微帶線構造參數(shù)．微帶線的微帶部分和地板分別進行指數(shù)漸變,在經(jīng)過適合的長度此后變?yōu)槠叫须p線構造,兩線分別接天線兩條臂的饋電端,端點特色阻抗為1７0,參數(shù)依據(jù)雙線特色阻抗進行計算.依據(jù)仿真結(jié)果選擇最正確的巴倫構造參數(shù)如圖２—5所示．圖2—5指數(shù)漸變的微帶線—雙線巴倫表示圖可是這樣的設計使得巴倫縱向尺寸增大,天饋系統(tǒng)也就不知足小尺寸要求。為了減小天線整體設計尺寸，我們采納圓環(huán)式的微帶變換線,馬上微帶線沿著圓形圍繞兩周，使巴倫的長度不變甚至增添,基本構造參數(shù)其實不發(fā)生變化.變換線在圓環(huán)上隨意一點的特色阻抗與巴倫為直線時同樣，是按指數(shù)規(guī)律變化的，如圖2-6和2—７所示。圖2—6饋線微帶條一側(cè)圖2—7饋線地板一側(cè)采納的這類環(huán)形構造，在中間部分向上波折與天線饋電點相接，從而降低了天線整體構造的高度，這里采納的高度50,即天線平面與饋線平面的距離.3試驗與測試本章依據(jù)第2章設計的天線及巴倫的尺寸制作了實物并利用網(wǎng)絡分析儀對其進行了丈量.實物圖片及丈量結(jié)果示于下邊各圖。圖3—1天線構造圖３-2饋線微帶條一側(cè)圖3-3饋線地板一側(cè)圖3—4裝置此后的饋線部分圖３—５裝置此后的天饋系統(tǒng)

圖3-6

丈量結(jié)果應用網(wǎng)絡分析儀對天線進行反射耗資丈量，獲得的結(jié)果如圖

3—6

所示.丈量結(jié)果表示，在

0.８—４之間小于

3,

符合設計指標要求

.特別是在中頻段，可以小于２

,并且低頻段較高頻段好一些

.但是其實不都小于

2,而天線與巴倫的仿真結(jié)果均小于

1.５.究其原由，可能有以下兩點：1。因為在焊接平面漸變線巴倫與豎直的雙線連結(jié)處時，有一些有棱角的焊點，產(chǎn)生了局部突變,對高頻段的傳輸特色造成了必定影響；2。因為在丈量時，天線平面與巴倫平面之間沒有加入可以實現(xiàn)單向輻射的吸波資料，所以天線的后向輻射對平面巴倫的阻抗般配造成了很大影響；同時,巴倫也會對天線產(chǎn)生必定的影響。綜上所述,假如可以改良這些不利要素,此天饋系統(tǒng)的丈量結(jié)果應當可以知足實質(zhì)應用的指標要求.結(jié)論在知足設計指標要求的帶寬，增益、方向性和極化特色的狀況下，并且參閱了大批有關資料此后,最后確立了如本文所述形式的波折臂螺旋天線的設計方法，以增添天線的低頻電長度，減小天線尺寸，使天線外徑由75降至6４,比傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線外徑減小近1５％;為了改良小型化天線在低頻端的圓極化特色，在天線尾端加載了一個圓環(huán).丈量結(jié)果表示該天線在0。8—4頻帶范圍內(nèi)阻抗特色優(yōu)秀，3。其余,因為該天線采納角度定義的方式，所以可以比較簡單的設計出不同樣頻段的天線,只需將相應的構造參量改變即可實現(xiàn)特定的頻段要求；并且假如發(fā)生其余問題，可以根據(jù)已經(jīng)獲得的參量的影響結(jié)果，分析結(jié)論找到問題的所在，這為此后的設計供給了直觀的參照。在饋電網(wǎng)絡的設計中,采納漸變線巴倫設計，可以同時知足天線系統(tǒng)的均衡饋電要乞降阻抗匹配要求；并且，采納的環(huán)形構造使巴倫尺寸減小、構造合理,從而使天饋系統(tǒng)的整體構造簡單，尺寸知足設計指標要求.所以可知，本課