一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计

罗 旺

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 611731）

0 引言

平面螺旋天线是一种比较常见的超宽带天线，它本身属于非频变天线系列。平面螺旋天线之所以能够在很宽的频带内辐射出圆极化波，是由于其结构的自身具有相似性，由于其良好的辐射特性因而获得了广泛的应用[1]。该天线在很宽的频带范围内都具备非常好的辐射方向图特性、输入阻抗特性以及圆极化特性[2]。宽频带天线的种类繁多，尺寸和体积都比较大，而且大部分都是地面上使用。因此，对于天线的要求越来越严格，需要天线体积要小，重量要轻，而且要求有良好的圆极化和宽频带电气性能，所以研究小型化、宽频带天线是具有非常重要的现实意义。基于此目的文中以超宽带平面等角螺旋天线为基础，设计了一种新颖的平面等角螺旋天线，天线的直径为8.2 cm，高度为2.4 cm，并且具有良好的宽频带和圆极化特性。

1 平面等角螺旋天线

图1 平面等角螺旋天线(δ=π/2)

图2 天线结构实物

2 宽频带微带巴伦馈电结构

同轴线馈电是一种非平衡馈电方式，与同轴线类似是，微带线馈电也为非平衡馈电方式。把微带线通过转换到平行双线的方式过渡到微带巴伦变换线，在满足频率要求的同时，而且是非平衡馈电方式到平衡馈电方式变换的一种很好的选择[5]。和同轴传输线相比，它在转换成一个平行线式的传送的时候，引入到阻抗变换电路中，以达到某种效果的阻抗匹配，从而实现很好的阻抗匹配效果。用四分之一波长阶梯形渐变线阻抗匹配装置来进行阻抗匹配，也是一种有效实现阻抗匹配的方法。此外，它也可以采取一种阶梯线，以实现阻抗匹配，具有良好的性能，在很宽的工作频带。设计使用的梯度线，也就是，无限的数量的增加而加强阶梯阻抗变压器，将无限缩短每个梯子的长度，那么多台阶的阻抗匹配装置的横截面尺寸可以看成是和的横截面特性阻抗连续变化的梯度线。梯度线的频带非常宽，而且拥有很大的功率高容量。渐变线的种类很多，有双曲线渐变线，抛物线渐变线，贝塞尔和切比雪夫渐变线和梯形梯度线。这些类型的梯度线，指数梯度线的反射系数是相对小的，拥有极宽的频带。因此，这样选择地板面的微带线，地板面采用指数渐变线，以及馈电部分是相对窄的，整个变化是相对平缓的，所以在这里使用一个简单的梯形梯度线作为馈线，从而方便仿真，进而构成一个平面等角螺旋天线的平衡——不平衡转换器。如图3所示。馈电巴伦由不平衡微带结构逐渐过渡到一个平衡馈电的平行结构，它的特征是,这里的地板采用微带指数渐变线，馈电传输线使用梯形渐变的微带线，将输入端口特性阻抗从50 Ω变换到140Ω成为输出端口的特性阻抗[6]。

图3 渐变的微带线--双线结构的展示

文中设计的微带指数渐变巴伦采用印刷电路加工技术，介质基板的厚为1.6 mm。该巴伦的尺寸参数由HFSSF仿真软件数值仿真获得，其长度ls为24 mm，微带传输线另一端的地平面宽度w0为8 mm，微带线的宽度w1为4 mm，平行双线一端的金属导带宽度w2为0.5 mm，巴伦上端的方形端口是介质板，从辐射介质板的底部插入，将馈电巴伦与天线辐射部分连接起来，插入端口处用焊锡将平行双线的端口和天线的两个臂相连接。微带线端口处接同轴探针内导体，指数渐变线w0处接探针外导体。

3 仿真与实物测试结果

基于平面等角螺旋天线的设计理论，设计了上述新颖的超宽带平面等角螺旋天线。在介质圆环基板中心内部插入了超宽带微带巴伦，其平行双线端口在圆盘中心与两个螺旋臂各自焊接在一起，形成了平衡馈电的结构；其微带端口焊接一个SMA接头，进而与外面的同轴电缆相连接。文中所设计的平面等角螺旋天线，介质基板材料的相对介电常数为4.4的FR4聚四氟乙烯材料，厚度为1.6 mm，铜箔厚度为0.018 mm。对上述加工制作的天线进行了测试实验工作，采用安捷伦矢量网络分析仪测量了电压驻波比特性。

该平面等角螺旋天线在频率2～12 GHz的范围内反射系数均小于-10 dB，可以满足实际需要。该天线的辐射方向图特性测试在微波暗室SATIMO中进行，如图4所示。

图4 天线的远场测试环境

4 结语

文中设计并测试了阻抗指数渐变微带线-平行双线形式的宽带巴伦和工作频段2～12 GHz的平面等角螺旋天线[7-8]。测试的结果显示了辐射贴片天线和巴伦具有很好的宽频带特性和圆极化特征,频带内天线的增益达到3.5 dB 以上，反射系数S11小于-10 dB，轴比小于3 dB。通过测试结果可得出以下结论，天线两臂外的圆环结构，很好的实现了天线的轴比特性，梯形梯度线和指数渐变线巴伦起到了很好的的阻抗转换效果和不平衡到平衡的过渡转化效率，提供了超宽带天线匹配网络的一种设计思路。

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