宽带平面螺旋天线的研究与设计

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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。


 

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