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

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。