一種小型化平面螺旋天線的仿真設計

臧永東，金謀平，詹珍賢，2（.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔徑陣列和空間探測安徽省重點實驗室，安徽合肥，230088）

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一種小型化平面螺旋天線的仿真設計

臧永東1，金謀平1，詹珍賢1，2
（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔徑陣列和空間探測安徽省重點實驗室，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。首先對阿基米德螺旋臂進行正弦波紋調制，通過增加正弦波紋的幅度與周期數，有效的延長螺旋臂的周長，降低工作頻率下限；接著采用終端集總電阻加載的方法，通過在螺旋臂上分段加載三個阻值90Ω的電阻，引導行波電流，同時吸收螺旋臂末端的反射電流，以改善低頻段性能。該天線采用指數漸變微帶巴倫饋電，背腔填充吸波材料實現單向輻射。仿真結果表明：該天線在2～12GHz范圍內可實現VSWR＜2，軸比小于3dB。

關鍵詞：平面螺旋天線；小型化；指數漸變巴倫

引言

平面螺旋天線具有自相似結構，重量輕、頻帶寬、易實現圓極化等優點，在空間特種通信［1］、反輻射導彈導引頭［2］等領域得到廣泛應用。通信系統的小型化及導引頭有限的尺寸與主被動復合雷達威力之間的矛盾，使得平面螺旋天線小型化設計具有重要的工程價值［3，4］。

本文通過延長螺旋臂的電長度，在螺旋臂終端分段加載三個阻值90Ω的電阻的方法改善天線低頻段性能，從而實現小型化設計。最后通過仿真設計了一個尺寸φ40mm×30mm，采用指數漸變巴倫饋電、背腔填充吸波材料實現單向輻射的阿基米德平面螺旋天線，結果表明，該天線在2～12GHz范圍內可實現VSWR＜2，軸比小于3dB。

1 天線設計

1.1 平面螺旋天線小型化設計

常規的阿基米德平面螺旋天線，雖然工作帶寬達9∶1，但幾何尺寸太大。由該型天線的工作原理［5］可知，有效輻射區為周長約為一個波長的那些環帶，對應的螺旋線直徑Φ=λ/π。實際上，沿著螺旋線傳輸的電流通過有效輻射區時，雖已將大部分能量向空間輻射，但仍有部分到達終端，造成電流的終端反射。為了改善天線的阻抗匹配以及軸比，天線的口徑應該滿足Φ1.25λmax/π，其中λmax為最低工作頻率對應的波長。

按照該天線的工作頻率要求，低頻工作在2GHz，則天線的口徑應至少為59.6mm。按照常規設計，無法滿足裝機尺寸限制條件，因此需要對螺旋線的設計進行改進，實現小型化。如圖1所示，天線介質基板采用單面覆銅Rogers RO4350，介電常數3.66，厚度1.524mm，通過以下改進措施改善低頻性能，將天線口徑減小到φ40mm：

a） 對阿基米德螺旋線進行波紋調制，如采用正弦調制，通過增加正弦波紋的幅度與周期數，有效的延長螺旋線的周長，展寬螺旋天線的工作頻帶；

b） 采用終端集總電阻加載的方法，通過在螺旋線上分段漸變加載三個阻值90Ω的電阻引導行波電流，同時吸收螺旋線末端的反射電流，達到降低電壓駐波比和改善低頻點軸比的目的。

1.2 指數漸變巴倫及背腔設計

圖1 阿基米德平面螺旋小型化示意圖

通過仿真優化，該天線的輸入阻抗為90Ω，同時雙臂平面螺旋為平衡結構，需要采用平衡方式進行饋電，常用的50Ω射頻同軸線為非平衡結構。因此需要增加50Ω-90Ω非平衡-平衡轉換巴倫。

巴倫采用指數漸變微帶線，結構示意圖如圖2所示，尺寸27mm×6mm，微帶板采用Rogers RO4003，介電常數3.55，厚度0.508mm。

圖2 指數漸變巴倫示意圖

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

2 仿真結果

該天線的結構示意圖如圖3所示，主要由阿基米德螺旋線、指數漸變微帶巴倫、背腔及吸波材料等組成。

通過HFSS對該天線進行優化仿真，駐波曲線如圖4所示，圖中可見2～1 2 G H z范圍內VSWR＜1.7。圖5、圖6分別給出了增益、軸比的仿真結果。典型頻點各切面的方向圖和軸比如圖7、圖8所示。結果表明：2～12GHz范圍內軸比小于2.5，3～12GHz范圍內增益均大于3dB，2GHz增益只有-4dB。小型化設計對低頻點的軸比改善明顯，由于加載吸收電阻使低頻點的天線效率下降，增益降低。

圖3 平面螺旋天線結構示意圖

圖4 駐波比特性

圖5 增益特性

圖6 軸比特性

圖7 典型頻點的方向圖

圖8 典型頻點的軸比

3 結語

本文結合2～1 2 G H z阿基米德平面螺旋天線，闡述了平面螺旋天線的小型化設計方法。通過對螺旋臂進行正弦波紋調制，增加正弦波紋的幅度與周期數，有效的延長螺旋臂的周長，降低工作頻率下限；采用終端集總電阻加載的方法，通過在螺旋臂上分段加載三個阻值90Ω的電阻，引導行波電流，同時吸收螺旋臂末端的反射電流，改善低頻段性能。該天線尺寸為φ40mm×30mm，采用指數漸變微帶巴倫饋電，背腔填充吸波材料實現單向輻射。仿真結果表明：該天線在2～12GHz范圍內可實現VSWR＜2，軸比小于3dB，整體性能優良。

參考文獻

［1］陳鵬鵬，楊青慧，張懷武，寬頻帶衛星導航平面螺旋天線設計［J］，壓電與聲光，36卷第3期，2014.6.

［2］王起飛，主被動復合導引頭天線系統的結構布局［J］，制導與引信，2003.9：24（3）.

［3］何志國，徐風清，崔景波，一種星載平面螺旋天線的小型化設計方法［J］，航天器工程，2012，21（1）：68-71.

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

［5］阮成禮著，超寬帶天線理論與技術.哈爾濱工業大學出版社，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

中圖分類號：TN82

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-205-04

DOI：工業技術創新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.023

作者簡介：

臧永東，男，工程師，博士。研究方向：微波天線設計。

E-mail： zangyongdong666@126.com