一种宽带螺旋天线的设计

朱珊虹，董卫鹏，张琳江

(新乡学院计算机与信息工程学院，河南新乡453000)



一种宽带螺旋天线的设计

朱珊虹*，董卫鹏，张琳江

(新乡学院计算机与信息工程学院，河南新乡453000)

摘要:提出了一种宽带螺旋平面天线的设计。采用共平面波导的方式绕成天线，该方法使得天线和馈电网络在同一平面上，可以利用印刷电路板技术制作。通过软件仿真和实际测试显示:该天线具有良好的圆极化和宽频带特性，在频段2.5 GHz～9 GHz上实测反射损耗小于－10 dB。该天线制作简单、平面化面积小、具有很高的应用价值。

关键词:阿基米德螺旋天线;共平面波导;宽带天线;电磁仿真软件

螺旋天线理论自上世纪40年代被提出来后，由于其超宽的频带、稳定的增益和较低的轴比，得到了广泛的应用［1］。螺旋形天线本身为平面式的结构，馈入方法为中心馈入，因此馈电网络和天线本身无法达到全平面的要求，使得在一些需要平面化、小型化的通讯产品中无法应用。因此有学者提出了外部馈入螺旋形天线的方法［2］，但是这些从外部馈入的方法都必须占用很大的面积。本文将螺旋形天线的其中一臂多绕半圈，这样就能和另一臂形成双线传输线，因此双线传输线就有了定义明确的特性阻抗，能轻易的馈入且不需要占用太大的面积。

1　天线设计

本文所设计的螺旋形天线就是利用中间导体上升的共平面波导所绕制而成，如图1所示。馈电网络和天线本身在同一个平面，采用阿基米德形式，匝数为2.5圈，其公式为:

式中，r为天线半径，a为螺线增加率，r0为螺线起点和圆心的距离。表1所示为天线的基本尺寸。天线最大半径为33 mm，起始频率可由式(2)进行估算

式中，λmax为最大波长，γmax为最大半径。不过此公式并未考虑基本参数，所以在研究此天线时，提出了一个经验公式

式中，fmin为起始频率(MHz)，C为光速，εr为介质常数，h为基板厚度，k为常数1.97。此天线在聚四氟乙烯FR4基板上，基板的介电常数为4.4，厚度0.8 mm，在2.1 GHz～9.0 GHz范围内损耗为0.015。天线实体如图2所示:在其馈电网络部分，中间导体上升的共平面波导线宽为0.5 mm，线间距为3 mm，特性阻抗为190 Ω，直接利用渐近的方式转换为50 Ω的微带传输线。

图1　天线结构图

图2　天线实物照片

表1　天线的基本尺寸

2　仿真与实验结果

在天线测试方面，实验仪器选用Agilent E8363型矢量网络分析仪、CST－1型自动测试转台、XB－GH型标准增益天线、发射天线及待测天线。整个测试在微波暗室里进行。

由式(2)计算出所设计的天线起始频率为1.44 GHz。图3所示为螺旋天线反射损耗仿真与实测损耗的对比图。

图3　驻波比特性

由图3可以清楚的看到此天线的频宽大约在2.5 GHz到9 GHz。与之对比，可见利用式(3)计算的起始频率值，大约相差两倍［3］。本文利用IE3D电磁仿真软件计算出的电流密度分布如图4(a)、4(b)所示。图4(a)是利用式(3)算出起始频率为1.44 GHz时的电流密度分布图，从图4可以看出电流在螺旋线里呈现驻波的型态，可以推断出频率在实际的起始频率之下;反之图4(b)为2.5 GHz时的电流密度分布图，在电流由强转弱的交接区，因此也能从电流密度分布图来判断天线的起始频率。

图4　天线的表面电流分布

图5～图7为软件模拟与测量的辐射方向比较图，可以看出仿真与测量在天线特性方面很接近。观察在较低频率(2.5 GHz)时，测量的辐射方向图有横向方向的偏离，偏离大概约5°，可能是测量时同轴电缆线造成的影响，所以辐射方向图在垂直天线平面的方向是有最大值。在频率逐渐增高时，天线辐射的最大值会渐渐的移往端射方向。这是因为在高频时，天线辐射靠近外圈，天线外围半径较大，而高频时的波长较短，所以只有一部分辐射［4－6］，从图6、图7可看出在5.5 GHz时，辐射方向最大值大约在θ=30°，而到了7.5 GHz时辐射场型最大值移动到了θ=70°，变成在天线平面的方向。因此一个由外部馈入的螺旋天线，其输入阻抗是宽频的，但是辐射远场则不是。

图5　天线辐射方向图——2.5 GHz E面

图6　天线辐射方向图——5 GHz E面

图7　天线辐射方向图——7.5 GHz E面

图8为增益在=90°及θ=0°方向的仿真与测量比较图，可以看出有良好的一致性，在高频时增益会剧降的原因是在高频时辐射方向最大值从横向方向移至端射的方向，所以在横向的增益会下降。图9为天线在不同频率下最大增益的模拟值，在高频时增益约为4 dBi～5 dBi。图10为天线在2.5 GHz时所量得的E-ver、E-para与E-total的辐射场型图。

图8　=90°，θ=0°方向增益的模拟值与测量值比较图

图9　天线在不同频率下最大增益的模拟值

图10　2.5 GHz时E-ver、E-para与E-total的测量图

E-ver是指在无反射实验室里的标准喇叭型天线电场是垂直时所量的场型;而E-para则是水平时所量的场型，图11为2.5 GHz及3.5 GHz时在横向方向所模拟的轴比值，可以看到在2.5 GHz时θ在60°的轴比皆小于3 dB，而到了3.5 GHz时轴比则变大许多，所以再显示出此天线是在S参数上为宽带结构，但是在圆极化率上大约只有1 GHz的频宽。由图知该天线在具有较好的圆极化辐射特性。

图11　2.5 GHz及3.5 GHz时轴比特性图

3　结论

一个由外部馈入的螺旋型天线，以取代制作较困难的中央馈入，此天线利用IE3D来模拟，并实际制作在FR4的基板上，测量的反射损耗在2.5 GHz～9 GHz皆在10 dB以上;增益在高频时因为场型偏移，所以再横向方向增益会下降，辐射场型与增益的模拟值跟测量值有良好的一致性。而在圆极化率方面，在2.5 GHz时(轴比特性)Axial ratio在－60°～60°皆小于3 dB。

参考文献:

［1］朱玉晓，钟顺时，许赛卿，等.小型化超宽带槽螺旋天线的设计［J］微波学报，2009(2):39－41.

［2］Nurnberger M W，Volakis J L.A New Planar Feed for Slot Spiral Antennas［J］.IEEE Trans Antenna Propagat，1996，44:130－131.

［3］Gschwendtner E，Wiesbeck W.Ultra-Broadband Car Antennas for Communications and Navigation Applications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51(8):2020－2027.

［4］Nurnberger M W，Volakis J L.New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50(1):82－85.

［5］徐琰，张谟杰.一种新颖的光子带隙平面螺旋天线［J］.电波科学学报，2005，20(6):699－702.

［6］吴毅强，张平平，胡少文，等.一种新型的具有带阻特性的超宽带天线［J］.电子器件，2014，37(1):1－3.

［7］谌诗丹，杨晋生，胡少文.一种改进的U型超宽带单极子天线研究［J］.电子器件，2014，38(2):344－348.

［8］袁宏伟.新型光子带隙宽带双极化微带天线设计［J］.电子器件，2013，24(2):3－8.

朱珊虹(1982－)，女，汉族，武汉大学在读博士，新乡学院计算机应用教研室主任，研究方向为多媒体技术，虚拟现实，新媒体技术与传播，zshazhu@163.com;

张淋江(1975－)，男，汉族，工程师，硕士研究生，主要研究方向为计算机无线传感器网络。

Design of an Antenna Operating at 915 MHz Used in Wireless Data Collection Systems*

CHEN Qiong1*，YANG Jie1，WANG Shanjin1，FING Jun2
(1.School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan Guangdong 523808，China; 2.Institute of Computer Science，Dongguan University of Technology，Donguan Guangdong 523808，China)

Abstract:A printed dipole antenna operating at 915 MHz is proposed.The antenna is fed by a microstrip to coplanar stripline Balun to achieve broadband operation and balanced feed in the band.The impedance bandwidth determined from a 10 dB return loss is found to be about 22%，with the bandwidth 830 MHz to 1 030 MHz.The antenna has excellent performance of S11＜－50 dB at 915 MHz.The antenna has characteristics of simple structure，and is easy to be integrated.It can be used in wireless data collection systems.

Key words:coplanar stripline; printed dipole antenna; Balun; microstrip

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.006

收稿日期:2014－08－04修改日期:2014－09－21

中图分类号:TN823.31

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0742－04