宽带平面螺旋天线的研究与设计推力轴承
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宽带平面螺旋天线的研究与设计
宽带平面螺旋天线的研究与设计 2011年12月09日 来源： 摘要：平面螺旋宽带天线具有频带较宽、体积较小、圆极化性能较好等特点，应用范围很广。但是这种天线增益较低，馈电匹配较难实现，尤其是前者，使得其性能大打折扣。通过研究影响平面螺旋宽带天线增益和馈电匹配的主要因素，设计了2～7 GHz范围内的宽频带平面螺旋天线。理论分析和仿真实验结果表明，对改善平面螺旋宽带天线的性能有一定的工程参考价值。关键词：阿基米德螺旋天线；宽频带；圆极化性；巴伦
平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其频带较宽、尺寸小、重量轻、容易实现圆极化而在超宽带及抗干扰等技术中得以广泛应用。常用的平面宽带螺旋天线有阿基米德螺旋天线和平面曲折螺旋天线等，这类天线都有互补周期性结构，能够在较宽频带内保持天线的输入阻抗特性不变，易于匹配。本文针对双臂螺旋天线，采用反射腔作为1／4波长巴伦，采用空心同轴变换段来获得较宽频带的阻抗匹配，并研究了天线介质板厚度对性能的影响。
l 设计与实现 图1所示为双臂阿基米德螺旋天线，其半径随角度的变化均匀的增加，由于该类天线不能像非频变天线要求的那样缩比到无限大或者是无限小，因此，这类天线对高端频率有所限制．同样由于结构尺寸限制，终端对电流截止，使得低频端会有振荡。
1．1 天线辐射元的设计 阿基米德螺旋天线是一种自互补天线，即天线臂宽与间隔相等。对于自互补结构的天线，由巴俾涅原理知其输入阻抗为60πΩ。如微带衬底介电常数为εr，则输入阻抗选择普通基板εr=4．6，基片厚度h=1 mm，这样天线的输入阻抗约为Z0=112．6Ω。天线外圈周长必须大于1．25倍λmax，馈电点间距必须小于λmin／4。1．2 背腔设计 要获得单向辐射，需要用到反射腔，也可以在背腔内填充吸波材料，考虑到增益，本文腔体内部不填充吸波材料，而直接采用λ／4扼流套作为背腔。其基本结构如图2所示，在同轴线外部加上一个长度为λ／4的金属套，底端与同轴线外皮短接，该金属套与同轴线的外导体构成一个特性阻抗为Zc的新同轴线L，且终端短路。易知，终端短路的λ／4长的同轴线有开路效应即从L顶端向下看去，特性阻抗为Zc的同轴线的输入阻抗为无穷大，也就是说如果在该段传输线上有电压电流分布，则最顶端为电压腹点，电流节点，从而这种结构有一定的扼流作用。
1．3 输入阻抗匹配设计 由阿基米德螺旋天线的辐射机理可知，要保证辐射为轴向辐射，辐射场为圆极化，必须要求等辐反相对其馈电，即要求平衡馈电，而同轴线是不平衡馈电系统，所以应在馈电端与天线之间加一个不平衡至平衡的变换器，即巴伦。宽频带的同轴线到微带线的转换巴伦通常采用锥削巴伦，驻波带宽可以达到8倍频程以上，但是这种巴伦不易于加工，并且在巴伦变换段出现了射频泄漏，会影响天线的方向图，本文采用一种窄带的匹配，采用了空心的同轴变换段代替巴伦，这种结构带来了馈电不平衡等影响，但是加工实验方便，前期设计时可以采用。 本文针对空心同轴段长度及基板厚度做过实验，分别测试对天线输入驻波的影响。空心同轴段取6～10 mm，介质基板厚度取O．5～1．5 mm，发现在空心段长为8 mm，基板厚为O．5 mm时，驻波特性较好，驻波测试曲线如图3所示。在1～8 GHz的宽频带内驻波都小于2，证明这种窄带匹配还具有不错的效果。
1．4 测试结果 由于阿基米德螺旋天线是螺旋天线，需要测试其圆极化性能。方向图测试时要分几种情况分别测量，即在发射天线水平或垂直极化时，将螺旋天线旋转一定测试角度(如45°)，然后再由测试数据计算得到天线圆极化特性，图4为螺旋天线水平放置，发射天线垂直极化时测得的两个频率对应方向图。天线在同样条件下放置时的增益曲线如图5所示。由天线各方向放置时测得的方向图曲线得到天线的轴比如图6所示。
2 结 语 本文仿真并设计了带宽为2～7 GHz的平面双臂阿基米德螺旋天线，给出的测试结果表明这类天线驻波带宽(VSWR<2)可以达到8倍频程以上；方向图在低端3 dB宽度(半功率宽度)较宽，随频率的增加逐渐变窄；设计频带内增益在2 dB左右；天线轴比在3 dB以内，且越到高端，轴比越大，圆极化性能越差。