微带线-槽线馈电缝隙等角螺旋天线设计

2014-05-22方庆园宋立众乔晓林

电子与信息学报 2014年1期

关键词：微带线巴伦馈电

方庆园金铭宋立众韩勇乔晓林

微带线-槽线馈电缝隙等角螺旋天线设计

方庆园①金铭*②宋立众②韩勇②乔晓林②

①(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院哈尔滨 150001)②(哈尔滨工业大学(威海) 威海 264209)

宽带天线；被动雷达导引头；缝隙等角螺旋天线；微带线-槽线巴伦

1 引言

被动雷达导引头为探测与跟踪目标一般采用宽带天线。等角螺旋天线具备宽频带、高增益、宽波束、圆极化等特性，因此适用于被动雷达导引头天线系统[1]。但导引头内局促的天线安装空间迫切要求降低天线剖面，同时集成化、一体化的天线设计能避免人工焊接带来的误差。因此低剖面、一体化的等角螺旋天线设计有重要意义。

等角螺旋天线为了实现平衡馈电，需要采用不平衡到平衡的转换装置-巴伦(unbalance-balance Balun)[2]。通常使用超宽带微带线渐变巴伦[3]。巴伦终端与天线两臂焊接相连。此种馈电方式缺点是巴伦与天线平面垂直，整体剖面高，机械紧固性低，且在关键平衡馈电点处引入了人工焊接误差。弯折巴伦从一定程度上降低了巴伦剖面[4]，但巴伦所在平面仍与天线平面垂直[5]，天线剖面降低程度有限。

2 缝隙等角螺旋天线设计

2.1 缝隙等角螺旋天线结构

Dyson[14]提出的等角螺旋天线一条臂在极坐标下的方程为

为初始半径，为螺旋增长率，为极坐标系下的角度。另外一条臂由式(1)旋转得到。由最高工作频率来决定[15]，一般取，螺旋臂最大半径由最低工作频率决定，一般取。为使导体螺旋臂与臂的间隙形成自互补结构，取。缝隙等角螺旋天线与导体等角螺旋互为互补结构如图1所示。若忽略导体螺旋臂起始位置处扇形导体，当等角螺旋天线半径趋向于无穷大时，导体螺旋臂与缝隙螺旋臂互补。图1中表示等角螺旋天线最大半径，为最小半径，为螺旋臂初始角度。该等角螺旋天线的具体参数如表1所示。

表1缝隙等角螺旋天线参数

变量名变量值 a0.221 15 mm 42.5 mm rad

2.2 微带线转槽线馈电结构设计

槽线是一种平衡的馈电结构[16]，在此采用渐变微带线-槽线对缝隙螺旋天线馈电，如图2所示。在微带线始端由同轴线激励，渐变微带线沿螺旋臂向内逐渐延伸进行阻抗变换，终端为扇形开路枝节。微带线与螺旋天线两臂分别印刷于介质板两侧(介质板采用Rogers 5880，介电常数2.2，厚度0.508 mm)。

微带线电场如图3(a)所示，微带线转槽线处电场如图3(b)所示。以微带线中心(图3(b)中微带线如虚线所示)为界，槽线上下均分为两个缝隙，两缝隙中电场相同，相当于微带线激励两个并联缝隙。

图2(b)所示结构可看作微带线馈线到槽线的转化，由槽线给缝隙天线平衡馈电。通常微带线地板宽度为微带线宽度的8~10倍，在此微带线地板不满足该准则，且槽线也非标准槽线结构。此处微带线与槽线可认为是两种传输线的近似，通过数值仿真确定微带线与槽线物理参数。

图2 微带线转槽线馈电缝隙等角螺旋天线

图3 微带线到槽线转化处电场示意图

3 缝隙等角螺旋天线仿真与测试结果与分析

依据上述优化结果加工的缝隙等角螺旋天线如图5所示。采用安捷伦矢量网络分析仪E8363B测试电压驻波比(VSWR)。VSWR测试结果与仿真结果如图6所示。

图4 不同槽线参数对应的天线反射系数仿真结果

表2微带线转槽线处各参数值

变量名变量值(mm) 0.15 0.14 0.20 25.44

由图6可见在1.4~13 GHz频段内基本上VSWR小于2，实现了1 : 9的阻抗带宽，由于仿真天线模型为简化模型，仿真结果与测试结果略有偏差。

图5 缝隙等角螺旋天线实物图

待测天线的轴比(AR)为

测得不同频率下天线轴比方向图如图8所示。

图6 缝隙等角螺旋天线驻波比仿真与测试结果

图7 缝隙等角螺旋天线增益测试结果

图8 缝隙等角螺旋天线轴比方向图测试结果

4 带反射腔的低剖面缝隙等角螺旋天线

被动雷达导引头探测前方目标需要天线单向辐射。本文所设计的缝隙等角螺旋天线，为缝隙辐射即磁流辐射，因此反射腔的高度可以降低。如图9所示，对于磁流辐射的天线，反射腔高度的确定可以由镜像原理来说明。

式中代表导体上方磁流在平面上远场辐射方向图。加入反射腔相当于在天线下方加入有限理想导电平面。由式(5)可以看出越小，天线在远场辐射越大，当为时天线沿...z方向没有辐射。因此相对于导体辐射天线，缝隙天线的反射腔高度可以显著降低。但反射腔高度不能无限度降低，高度很低时反射腔感应的电流会破坏缝隙天线中电磁场的分布[13]。

5 仿真与测试结果分析

图10 反射腔侧视剖面图

图11 反射腔高度对天线反射系数的影响仿真结果

图12 不同反射腔高度下天线输入阻抗仿真结果

图13 加入吸波材料的反射腔

图14 天线与带吸波材料反射腔

图15 吸波材料宽度对天线驻波影响测试结果

图16 带反射腔缝隙等角螺旋天线增益测试结果

图17 带反射腔缝隙等角螺旋天线轴比方向图测试结果

图18 带反射腔缝隙等角螺旋归一化功率方向图测试结果

6 结论

本文提出了一种微带线-槽线馈电的缝隙等角螺旋天线，可作为被动雷达导引头探测与跟踪的天线实现方案。微带线-槽线的转换实现了将不平衡电场转化为平衡电场。加入带有矩形环状吸波材料的反射腔实现了天线的单向辐射拓展了天线在低频段带宽。文中分析了微带线-槽线馈电缝隙等角螺旋天线关键设计参数的影响，且天线测试结果良好。为该天线在被动雷达导引头中的应用提供了技术基础。

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方庆园：女，1987年生，博士生，研究方向为共形天线技术与共形阵列信号处理.

金铭：男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为雷达信息处理及电子对抗等.

宋立众：男，1975年生，博士后，教授，博士生导师，主要从事天线与微波技术和雷达信号处理等方面的研究.

Design of Slot Equiangular Spiral Antenna Fed by Microstrip to Slotline

Fang Qing-yuan①Jin Ming②Song Li-zhong②Han Yong②Qiao Xiao-lin②

①(,,150001,)②(,,264209,)

Wideband antennas; Passive radar seeker; Slot equiangular spiral antenna; Microstrip to slotline Balun

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