一種小型化平面螺旋天線(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)

臧永東，金謀平，詹珍賢，2（.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔徑陣列和空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088）

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一種小型化平面螺旋天線(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)

臧永東1，金謀平1，詹珍賢1，2
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔徑陣列和空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088）

摘 要：本文介紹了一種小型化阿基米德平面螺旋天線(xiàn)。首先對(duì)阿基米德螺旋臂進(jìn)行正弦波紋調(diào)制，通過(guò)增加正弦波紋的幅度與周期數(shù)，有效的延長(zhǎng)螺旋臂的周長(zhǎng)，降低工作頻率下限；接著采用終端集總電阻加載的方法，通過(guò)在螺旋臂上分段加載三個(gè)阻值90Ω的電阻，引導(dǎo)行波電流，同時(shí)吸收螺旋臂末端的反射電流，以改善低頻段性能。該天線(xiàn)采用指數(shù)漸變微帶巴倫饋電，背腔填充吸波材料實(shí)現(xiàn)單向輻射。仿真結(jié)果表明：該天線(xiàn)在2～12GHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)VSWR＜2，軸比小于3dB。

關(guān)鍵詞：平面螺旋天線(xiàn)；小型化；指數(shù)漸變巴倫

引言

平面螺旋天線(xiàn)具有自相似結(jié)構(gòu)，重量輕、頻帶寬、易實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)，在空間特種通信［1］、反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭［2］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通信系統(tǒng)的小型化及導(dǎo)引頭有限的尺寸與主被動(dòng)復(fù)合雷達(dá)威力之間的矛盾，使得平面螺旋天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)具有重要的工程價(jià)值［3，4］。

本文通過(guò)延長(zhǎng)螺旋臂的電長(zhǎng)度，在螺旋臂終端分段加載三個(gè)阻值90Ω的電阻的方法改善天線(xiàn)低頻段性能，從而實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸φ40mm×30mm，采用指數(shù)漸變巴倫饋電、背腔填充吸波材料實(shí)現(xiàn)單向輻射的阿基米德平面螺旋天線(xiàn)，結(jié)果表明，該天線(xiàn)在2～12GHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)VSWR＜2，軸比小于3dB。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 平面螺旋天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)

常規(guī)的阿基米德平面螺旋天線(xiàn)，雖然工作帶寬達(dá)9∶1，但幾何尺寸太大。由該型天線(xiàn)的工作原理［5］可知，有效輻射區(qū)為周長(zhǎng)約為一個(gè)波長(zhǎng)的那些環(huán)帶，對(duì)應(yīng)的螺旋線(xiàn)直徑Φ=λ/π。實(shí)際上，沿著螺旋線(xiàn)傳輸?shù)碾娏魍ㄟ^(guò)有效輻射區(qū)時(shí)，雖已將大部分能量向空間輻射，但仍有部分到達(dá)終端，造成電流的終端反射。為了改善天線(xiàn)的阻抗匹配以及軸比，天線(xiàn)的口徑應(yīng)該滿(mǎn)足Φ1.25λmax/π，其中λmax為最低工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

按照該天線(xiàn)的工作頻率要求，低頻工作在2GHz，則天線(xiàn)的口徑應(yīng)至少為59.6mm。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足裝機(jī)尺寸限制條件，因此需要對(duì)螺旋線(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)小型化。如圖1所示，天線(xiàn)介質(zhì)基板采用單面覆銅Rogers RO4350，介電常數(shù)3.66，厚度1.524mm，通過(guò)以下改進(jìn)措施改善低頻性能，將天線(xiàn)口徑減小到φ40mm：

a） 對(duì)阿基米德螺旋線(xiàn)進(jìn)行波紋調(diào)制，如采用正弦調(diào)制，通過(guò)增加正弦波紋的幅度與周期數(shù)，有效的延長(zhǎng)螺旋線(xiàn)的周長(zhǎng)，展寬螺旋天線(xiàn)的工作頻帶；

b） 采用終端集總電阻加載的方法，通過(guò)在螺旋線(xiàn)上分段漸變加載三個(gè)阻值90Ω的電阻引導(dǎo)行波電流，同時(shí)吸收螺旋線(xiàn)末端的反射電流，達(dá)到降低電壓駐波比和改善低頻點(diǎn)軸比的目的。

1.2 指數(shù)漸變巴倫及背腔設(shè)計(jì)

圖1 阿基米德平面螺旋小型化示意圖

通過(guò)仿真優(yōu)化，該天線(xiàn)的輸入阻抗為90Ω，同時(shí)雙臂平面螺旋為平衡結(jié)構(gòu)，需要采用平衡方式進(jìn)行饋電，常用的50Ω射頻同軸線(xiàn)為非平衡結(jié)構(gòu)。因此需要增加50Ω-90Ω非平衡-平衡轉(zhuǎn)換巴倫。

巴倫采用指數(shù)漸變微帶線(xiàn)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，尺寸27mm×6mm，微帶板采用Rogers RO4003，介電常數(shù)3.55，厚度0.508mm。

圖2 指數(shù)漸變巴倫示意圖

為了實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的單向輻射，需要在天線(xiàn)的一邊增加反射腔，或者在背腔內(nèi)填充吸波材料。常用的反射腔主要有深度λ/4的平底腔和圓臺(tái)異形腔。鑒于天線(xiàn)工作帶寬6∶1，選擇在背腔內(nèi)填充吸波材料AN-75實(shí)現(xiàn)單向輻射。

2 仿真結(jié)果

該天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由阿基米德螺旋線(xiàn)、指數(shù)漸變微帶巴倫、背腔及吸波材料等組成。

通過(guò)HFSS對(duì)該天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化仿真，駐波曲線(xiàn)如圖4所示，圖中可見(jiàn)2～1 2 G H z范圍內(nèi)VSWR＜1.7。圖5、圖6分別給出了增益、軸比的仿真結(jié)果。典型頻點(diǎn)各切面的方向圖和軸比如圖7、圖8所示。結(jié)果表明：2～12GHz范圍內(nèi)軸比小于2.5，3～12GHz范圍內(nèi)增益均大于3dB，2GHz增益只有-4dB。小型化設(shè)計(jì)對(duì)低頻點(diǎn)的軸比改善明顯，由于加載吸收電阻使低頻點(diǎn)的天線(xiàn)效率下降，增益降低。

圖3 平面螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 駐波比特性

圖5 增益特性

圖6 軸比特性

圖7 典型頻點(diǎn)的方向圖

圖8 典型頻點(diǎn)的軸比

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合2～1 2 G H z阿基米德平面螺旋天線(xiàn)，闡述了平面螺旋天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)螺旋臂進(jìn)行正弦波紋調(diào)制，增加正弦波紋的幅度與周期數(shù)，有效的延長(zhǎng)螺旋臂的周長(zhǎng)，降低工作頻率下限；采用終端集總電阻加載的方法，通過(guò)在螺旋臂上分段加載三個(gè)阻值90Ω的電阻，引導(dǎo)行波電流，同時(shí)吸收螺旋臂末端的反射電流，改善低頻段性能。該天線(xiàn)尺寸為φ40mm×30mm，采用指數(shù)漸變微帶巴倫饋電，背腔填充吸波材料實(shí)現(xiàn)單向輻射。仿真結(jié)果表明：該天線(xiàn)在2～12GHz范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)VSWR＜2，軸比小于3dB，整體性能優(yōu)良。

參考文獻(xiàn)

［1］陳鵬鵬，楊青慧，張懷武，寬頻帶衛(wèi)星導(dǎo)航平面螺旋天線(xiàn)設(shè)計(jì)［J］，壓電與聲光，36卷第3期，2014.6.

［2］王起飛，主被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引頭天線(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局［J］，制導(dǎo)與引信，2003.9：24（3）.

［3］何志國(guó)，徐風(fēng)清，崔景波，一種星載平面螺旋天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)方法［J］，航天器工程，2012，21（1）：68-71.

［4］王光明，王亞偉，梁建剛，平面螺旋天線(xiàn)小型化研究［J］，微波學(xué)報(bào)，2013，29（21）：139-144.

［5］阮成禮著，超寬帶天線(xiàn)理論與技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

Design and Simulation of Miniaturized Planar Spiral Antenna

Yongdong Zang1， Mouping Jin1， Zhenjian Zhan1，2
（1.No.38 Research Institute.CETC， Hefei， Anhui， 230088， China；2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application， Hefei， Anhui， 230088， China）

Abstract：A miniaturized Archimedean planar spiral antenna is introduced in this paper.The miniaturization is realized by sine wave form extending of the spiral length and discrete resistance loading at the end of spiral.The amplitudes and cycles of sine wave are optimized to extend the low frequency limit.Three 90Ω resistors are added to each spiral to absorb the reflected current， therefore to improve the performance of the antenna at the low frequency.A antenna is achieved， integrated with a marchand balun and absorber filled cavity.Simulation shows that VSWR less than 2 and axial ratio less than 3 can be realized between 2 to 12GHz.

Key words：Planar Spiral Antenna； Miniaturization； Exponential Gradient Balun

中圖分類(lèi)號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-205-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.023

作者簡(jiǎn)介：

臧永東，男，工程師，博士。研究方向：微波天線(xiàn)設(shè)計(jì)。

E-mail： zangyongdong666@126.com