一種共形寬帶圓極化螺旋天線的設計?

劉宗全，錢祖平，2，韓振平

（1.解放軍理工大學，南京210007；2.東南大學毫米波國家重點實驗室，南京210096）

一種共形寬帶圓極化螺旋天線的設計?

劉宗全1，錢祖平1，2，韓振平1

（1.解放軍理工大學，南京210007；2.東南大學毫米波國家重點實驗室，南京210096）

為滿足共形天線低剖面特性的要求，設計并制作了一種低剖面的圓極化阿基米德螺旋天線。天線利用單臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圓極化輻射，并采用同軸探針饋電。實測結(jié)果表明，天線在2～11.4 GHz的頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB，軸比小于3 dB的頻率范圍為2.5～8.4 GHz。該天線結(jié)構(gòu)簡單，工作頻帶寬，且剖面極低，可作為多種載體的共形天線使用。

共形天線；圓極化；平面螺旋；寬帶；低剖面

1 引言

平面螺旋天線由于其結(jié)構(gòu)的自相似性，具有超寬的頻帶、穩(wěn)定的增益以及較低的軸比，在現(xiàn)代通信中有著廣泛的應用［1］。阿基米德螺旋天線作為平面螺旋天線的一種形式，在結(jié)構(gòu)上一般有單臂、雙臂和四臂幾種。對于雙臂或四臂螺旋天線來說，由于天線在結(jié)構(gòu)上是對稱的，必須采用平衡饋電方式——巴倫。文獻［2］設計了一種用EBG和金屬地混合結(jié)構(gòu)作反射腔的雙臂螺旋天線，雖然背腔高度不高，但由于巴倫結(jié)構(gòu)的存在，使天線總的剖面較高。文獻［3，4］利用指數(shù)漸變的微帶線——雙線結(jié)構(gòu)進行饋電，設計出了小型阿基米德螺旋天線。文獻［5］則是利用四等分饋電網(wǎng)絡和阻性終端負載，設計出低剖面的四臂阿基米德螺旋天線。以上的多臂螺旋天線的饋電部分使得天線剖面較高或者設計復雜，而采用單臂螺旋天線則能克服上述缺點［6，7］。其中文獻［7］通過對單臂螺旋天線背腔填充吸收材料，使天線單向輻射的同時實現(xiàn)了低剖面，同時對不加背腔的單臂螺旋天線的理想模型作了理論分析。

由于文獻［7］的單臂螺旋天線的理想模型中的介質(zhì)材料為空氣，結(jié)構(gòu)上不夠穩(wěn)固，實際用途不大。本文在此基礎上，討論了低剖面的單臂螺旋天線的設計與制作，一方面驗證了前面理論分析的正確性，另一方面將該天線的理想模型實用化。仿真和測量結(jié)果表明，設計的天線具有良好的寬帶特性和穩(wěn)定增益，證明了設計的有效性。由于所設計的天線厚度僅為1mm，總的半徑為30mm，實現(xiàn)了極低剖面的要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，能夠滿足共形天線應用場合的需要。

2 天線設計

2.1 工作原理

天線的極坐標方程為r=r0φ，其中r0為旋轉(zhuǎn)增長率，φ為幅角，用弧度表示。天線的有效輻射區(qū)位于r=λ／2π的螺線段上，而在有效輻射區(qū)外，電流變得很小，基本上沒有輻射。有效輻射區(qū)與波長有關，其位置會隨頻率在天線上移動，由于螺線的幾何形狀是光滑的，因此當頻率變低、有效輻射區(qū)離螺線中心較遠時，其性能變化不大。天線工作的高頻和低頻段由螺旋最小半徑rmin和最大半徑rmax決定。天線的周長C=2πrmax。在輻射區(qū)內(nèi)，沿著螺線相差四分之一波長的兩點相位相差90°，而此時電流方向是相互垂直的，電流的大小也幾乎相等，因此滿足了產(chǎn)生圓極化波的條件。螺線的繞向決定了輻射圓極化波的旋向。

2.2 天線結(jié)構(gòu)

天線采用單臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋線和地板分別印刷在介質(zhì)基板的兩側(cè)。介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.55，總半徑R1=30mm，厚度H=1mm。旋轉(zhuǎn)增長率r0=0.64mm／rad，起始幅角為φ1= π／2 rad，最大幅角為φ2=13πrad，天線臂寬為D=

2mm。饋電部分采用同軸探針直接饋電。因此相對于通常饋電結(jié)構(gòu)——巴倫，饋電部分的設計得到較大簡化。同軸線外導體接地板，內(nèi)導體穿過介質(zhì)板連接至螺旋臂上。地板半徑R2=5mm，其中心偏置位于螺旋起始位置下方。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 仿真與測量結(jié)果分析

利用軟件HFSS10.0進行仿真設計，并根據(jù)仿真結(jié)果得到的天線設計參數(shù)制作了天線實物，如圖2所示。

用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的S參數(shù)進行了測量，仿真和測量結(jié)果如圖3所示。測量結(jié)果表面，天線在2～11.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗小于-10 dB。圖4給出的是軸比隨頻率變化測試曲線。從中可以看出，實測的天線軸比（＜3 dB）帶寬范圍為2.5～8.4 GHz。天線在小于2 GHz和大于8.5 GHz

時，軸比性能惡化嚴重。這是因為，當工作頻率低于2 GHz時，即工作波長大于150mm，對應的有效輻射區(qū)螺旋段周長為150mm，半徑約為24mm，而該天線最大半徑為rnzx=r0φ2=26mm，有效輻射區(qū)接近天線尾部邊緣甚至不在天線上，也就不能輻射良好的圓極化波。對于工作頻率高于8.5 GHz時，此時對應的工作波長小于35mm，對應半徑約為5mm，而接地板半徑也為5mm，也就是說有效輻射區(qū)位于接地板范圍內(nèi)，這使得接地板引起的鏡像電流對天線上的電流產(chǎn)生擾動，破壞了天線表面原有的行波電流分布，從而使軸比惡化。

圖5為天線的實測歸一化方向圖。圖5（a）、（b）、（c）分別為2.5 GHz、6 GHz和8.5 GHz的輻射方向圖。圖5（a）、（b）的方向圖比較穩(wěn)定，最大輻射方向位于正z軸方向，當工作頻率為8.5 GHz時，天線最大輻射方向發(fā)生偏離，且有波瓣分裂的趨勢，此時背向輻射較正z軸方向大。這是因為此時地板的反射對天線上電流產(chǎn)生擾動，同時由于天線本身不是關于z軸對稱，造成這種擾動也不對稱，繼而影響輻射方向圖。

圖6給出的是天線方向系數(shù)隨頻率變化曲線圖。從圖中可以看出，天線在中心頻點附近（3.5～7.5 GHz）的頻帶內(nèi)，方向系數(shù)變化較為穩(wěn)定。當天線頻率大于7.5 GHz時，變化較劇烈。這可以從圖5的方向圖變化得到解釋。因為當頻率越大（比如大于7.5 GHz），有效輻射區(qū)越接近地板的反射區(qū)范圍，此時方向圖受到的影響越劇烈，包括波瓣分裂、最大輻射方向偏離等，這些都會導致方向系數(shù)的降低。

4 天線參數(shù)的性能影響分析

4.1 接地板半徑

接地板的存在擾亂了天線表面電流分布，破壞了螺旋天線非頻變的特性，因此接地板尺寸對天線性能有著重要影響。圖7給出的是接地板半徑R2對天線回波損耗和軸比的影響。從圖中可以看出，當半徑為3mm時，回波損耗以及在低頻處的軸比較差，這可能是因為此時地板半徑過小，對連接在地板上的同軸線外導體電流分布影響較大，從而直接影響到回波損耗和軸比性能。當?shù)匕灏霃綖?mm時，回波損耗得到改善，而軸比性能較差，原因同樣可解釋為：此時反射區(qū)的變大，對天線電流分布影響范圍增大，而天線上每段區(qū)域?qū)鄳墓ぷ黝l率，這樣就使得整個頻帶軸比惡化。

4.2 天線臂寬

螺旋天線的關鍵參數(shù)是旋轉(zhuǎn)增長率，當作為微帶結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)板上后，其臂寬成為天線的重要參數(shù)之一，因為它直接影響了天線的阻抗匹配性能，進而影響其它參數(shù)性能。圖8給出的是臂寬D對天線回波損耗和軸比的影響。從圖中可以看出，臂寬D對天線的影響較大。當天線臂寬越寬時，回波損耗和軸比性能變得較差。這是因為，當臂寬增加時，臂間距縮小，使得相互間的耦合增加，從而使天線的各種性能變差。

5 結(jié)論

本文設計并制作了一種低剖面的寬帶圓極化螺旋天線，驗證了單臂螺旋天線設計理論的有效性。仿真與實測結(jié)果表明，天線有著良好的阻抗帶寬和圓極化帶寬，在工作頻帶內(nèi)增益穩(wěn)定。對天線性能參數(shù)的分析研究表明，天線地板半徑和螺旋臂對天線性能的有較大影響。該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，而且剖面極低，厚度僅為1mm，可共形于飛行器或其它氣動結(jié)構(gòu)表面。

［1］Kraus JD，Marhefka R J.Antennas for allapplications［M］. 3rd ed.New York：McGraw Hill，2002.

［2］Liu Chun-heng，Lu Yue-guang，Du Chun-lei，et al. The Broadband Spiral Antenna Design Based on Hybrid Backed-Cavity［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，58（5），2010：1876-1882.

［3］王亞偉，王光明，張晨新，等.一種新型曲折臂阿基米德螺旋天線［J］.現(xiàn)代雷達，2010，32（9）：67-69.

WANG Ya-wei，WANG Guang-ming，ZHANG Chenxin，et al.A Novel Meander Archimedean Spiral Antenna［J］.Modern Radar，2010，32（9）：67-69.（in Chinese）

［4］朱玉曉，鐘順時，許賽卿，等.小型化平面螺旋天線及其寬頻帶巴倫的設計［J］.上海大學學報（自然科學版），2008，14（6）：581-584.

ZHU Yu-xiao，ZHONG Shun-shi，XU Sai-qing，et al. Design of Miniaturized Planar Spiral Antenna and Its Wideband Balun［J］.Journal of Shanghai University（Natural Science），2008，14（6）：581-584.（in Chinese）

［5］景小東，張福順，焦永昌.一種低剖面平面螺旋天線的設計［J］.空間電子技術，2008，5（1）：47-50.

JING Xiao-dong，ZHANG Fu-shun，JIAO Yong-chang. Design of a low-profile planar spiral antenna［J］.Space Electronic Technology，2008，5（1）：47-50.（in Chinese）

［6］Mehrabani A M，Shafai L.Low Profile Offset-fed Single Arm Spiral Antenna over an AMC Ground Plane［C］／／Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Toronto，Canada：IEEE，2010：1-4.

［7］Hisamatsu Nakano，Ryohei Satake，Junji Yamauchi.Extremely Low-Profile，Single-Arm，Wideband Spiral Antenna Radiating a Circularly Polarized Wave［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，58（5），2010：1511-1520.

LIU Zong-quan was born in Chaohu，Anhui Province，in 1984.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2006.He isnow a graduate student.His research direction ismicrostrip antenna technology.

Email：zongquan1984＠163.com

錢祖平（1961—），男，江蘇海門人，2000年于東南大學獲博士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為計算電磁學、微波技術、天線技術等；

QIAN Zu-ping was born in Haimen，Jiangsu Province，in 1961.He received the Ph.D.degree from Southeast University in 2000.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include computational electromagnetism，technology ofmicrowave and antenna.

Email：qzp811＠sina.com

韓振平（1986—），男，山西陽泉人，2009年于西安電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生，主要研究方向為天線理論與設計。

HAN Zhen-ping was born in Yangquan，Shanxi Province，in 1986.He received the B.S.degree from Xidian University in 2009. He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design.

Email：15995978982＠163.com

Design of a Conformal Wideband Circularly Polarized Spiral Antenna

LIU Zong-quan1，QIAN Zu-ping1，2，HAN Zhen-ping1
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.State Key Laboratory of MillimeterWaves，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order tomeet the demand of low-profile property of conformal antenna，a low-profile circularly polarized Archimedean spiral antenna is designed and manufactured.The antenna realizes circular polarization by single Archimedean spiralarm which is fed by coaxial line.Themeasured results show that in 2～11.4 GHz the return loss is less than-10 dB.The bandwidth for AR（axial ratio）＜3 dB is 2.5～8.4 GHz.The antenna configuration is simplewith wide bandwidth and especially its profile is extremely low.Therefore it can be used as conformal antenna formany kinds of carriers.

conformal antenna；circular polarization；planar spiral；wideband；low-profile

The National Natural Science Foundation of China（No.60872046）

TN82

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.019

劉宗全（1984—），男，安徽巢湖人，2006年于空軍工程大學獲學士學位，現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生，主要研究方向為微帶天線技術；

1001-893X（2011）11-0094-05

2011-06-20；

2011-08-30

國家自然科學基金資助項目（60872046）