一種新穎的超寬帶平面等角螺旋天線的設計

羅 旺

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 611731）

0 引言

平面螺旋天線是一種比較常見的超寬帶天線，它本身屬于非頻變天線系列。平面螺旋天線之所以能夠在很寬的頻帶內輻射出圓極化波，是由于其結構的自身具有相似性，由于其良好的輻射特性因而獲得了廣泛的應用[1]。該天線在很寬的頻帶范圍內都具備非常好的輻射方向圖特性、輸入阻抗特性以及圓極化特性[2]。寬頻帶天線的種類繁多，尺寸和體積都比較大，而且大部分都是地面上使用。因此，對于天線的要求越來越嚴格，需要天線體積要小，重量要輕，而且要求有良好的圓極化和寬頻帶電氣性能，所以研究小型化、寬頻帶天線是具有非常重要的現實意義。基于此目的文中以超寬帶平面等角螺旋天線為基礎，設計了一種新穎的平面等角螺旋天線，天線的直徑為8.2 cm，高度為2.4 cm，并且具有良好的寬頻帶和圓極化特性。

1 平面等角螺旋天線

圖1 平面等角螺旋天線(δ=π/2)

圖2 天線結構實物

2 寬頻帶微帶巴倫饋電結構

同軸線饋電是一種非平衡饋電方式，與同軸線類似是，微帶線饋電也為非平衡饋電方式。把微帶線通過轉換到平行雙線的方式過渡到微帶巴倫變換線，在滿足頻率要求的同時，而且是非平衡饋電方式到平衡饋電方式變換的一種很好的選擇[5]。和同軸傳輸線相比，它在轉換成一個平行線式的傳送的時候，引入到阻抗變換電路中，以達到某種效果的阻抗匹配，從而實現很好的阻抗匹配效果。用四分之一波長階梯形漸變線阻抗匹配裝置來進行阻抗匹配，也是一種有效實現阻抗匹配的方法。此外，它也可以采取一種階梯線，以實現阻抗匹配，具有良好的性能，在很寬的工作頻帶。設計使用的梯度線，也就是，無限的數量的增加而加強階梯阻抗變壓器，將無限縮短每個梯子的長度，那么多臺階的阻抗匹配裝置的橫截面尺寸可以看成是和的橫截面特性阻抗連續變化的梯度線。梯度線的頻帶非常寬，而且擁有很大的功率高容量。漸變線的種類很多，有雙曲線漸變線，拋物線漸變線，貝塞爾和切比雪夫漸變線和梯形梯度線。這些類型的梯度線，指數梯度線的反射系數是相對小的，擁有極寬的頻帶。因此，這樣選擇地板面的微帶線，地板面采用指數漸變線，以及饋電部分是相對窄的，整個變化是相對平緩的，所以在這里使用一個簡單的梯形梯度線作為饋線，從而方便仿真，進而構成一個平面等角螺旋天線的平衡——不平衡轉換器。如圖3所示。饋電巴倫由不平衡微帶結構逐漸過渡到一個平衡饋電的平行結構，它的特征是,這里的地板采用微帶指數漸變線，饋電傳輸線使用梯形漸變的微帶線，將輸入端口特性阻抗從50 Ω變換到140Ω成為輸出端口的特性阻抗[6]。

圖3 漸變的微帶線--雙線結構的展示

文中設計的微帶指數漸變巴倫采用印刷電路加工技術，介質基板的厚為1.6 mm。該巴倫的尺寸參數由HFSSF仿真軟件數值仿真獲得，其長度ls為24 mm，微帶傳輸線另一端的地平面寬度w0為8 mm，微帶線的寬度w1為4 mm，平行雙線一端的金屬導帶寬度w2為0.5 mm，巴倫上端的方形端口是介質板，從輻射介質板的底部插入，將饋電巴倫與天線輻射部分連接起來，插入端口處用焊錫將平行雙線的端口和天線的兩個臂相連接。微帶線端口處接同軸探針內導體，指數漸變線w0處接探針外導體。

3 仿真與實物測試結果

基于平面等角螺旋天線的設計理論，設計了上述新穎的超寬帶平面等角螺旋天線。在介質圓環基板中心內部插入了超寬帶微帶巴倫，其平行雙線端口在圓盤中心與兩個螺旋臂各自焊接在一起，形成了平衡饋電的結構；其微帶端口焊接一個SMA接頭，進而與外面的同軸電纜相連接。文中所設計的平面等角螺旋天線，介質基板材料的相對介電常數為4.4的FR4聚四氟乙烯材料，厚度為1.6 mm，銅箔厚度為0.018 mm。對上述加工制作的天線進行了測試實驗工作，采用安捷倫矢量網絡分析儀測量了電壓駐波比特性。

該平面等角螺旋天線在頻率2～12 GHz的范圍內反射系數均小于-10 dB，可以滿足實際需要。該天線的輻射方向圖特性測試在微波暗室SATIMO中進行，如圖4所示。

圖4 天線的遠場測試環境

4 結語

文中設計并測試了阻抗指數漸變微帶線-平行雙線形式的寬帶巴倫和工作頻段2～12 GHz的平面等角螺旋天線[7-8]。測試的結果顯示了輻射貼片天線和巴倫具有很好的寬頻帶特性和圓極化特征,頻帶內天線的增益達到3.5 dB 以上，反射系數S11小于-10 dB，軸比小于3 dB。通過測試結果可得出以下結論，天線兩臂外的圓環結構，很好的實現了天線的軸比特性，梯形梯度線和指數漸變線巴倫起到了很好的的阻抗轉換效果和不平衡到平衡的過渡轉化效率，提供了超寬帶天線匹配網絡的一種設計思路。

[1]林昌祿,聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業出版社,2002.

[2]LI Zhongsong,DAI Fusheng,LI Xi, et al.Experimental Research on a Planar Equiangular Spiral Antenna Millimeter Waves (GSMM)[J].Publication Year,2012,45(04):83-87.

[3]宋朝暉,邱景輝,張勝輝,等.一種平面等角螺旋天線及寬帶巴倫的研究[J].制導與引信, 2003,24(02):36-39.

[4]朱玉曉,鐘順時,許賽卿,等.小型花平面螺旋天線及其寬帶巴倫的設計[J].上海大學學報:自然科學版,2008,12,14(06):581-584.

[5]宋立眾,喬曉林,槽丙霞.微帶巴倫饋電圓錐等角螺旋天線的設計與實驗[J].微波學報,2012,28(01):29-33.

[6]華軍,劉江凡,席曉莉,等.平面等角螺旋天線的理論分析與數值仿真[J].西安理工大學學報,2007,23(04):385-389.

[7]施勝杰,郭輝萍.一種新型超寬帶平面單極天線的設計[J].通信技術,2009,42(01):112-114.

[8]郝鳳玉,周希朗.一種新型超寬帶平面單級微帶天線的設計和研究[J].通信技術,2008,41(01):25-27.

[9]代黎明,周海京,林文斌,等.基于左右手傳輸線的小型天線設計[J].信息安全與通信保密,2012(08):68-70.