一种小型化平面螺旋天线的仿真设计

臧永东，金谋平，詹珍贤，2（.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔径阵列和空间探测安徽省重点实验室，安徽合肥，230088）



一种小型化平面螺旋天线的仿真设计

臧永东1，金谋平1，詹珍贤1，2
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥，230088；2.孔径阵列和空间探测安徽省重点实验室，安徽合肥，230088）

摘 要：本文介绍了一种小型化阿基米德平面螺旋天线。首先对阿基米德螺旋臂进行正弦波纹调制，通过增加正弦波纹的幅度与周期数，有效的延长螺旋臂的周长，降低工作频率下限；接着采用终端集总电阻加载的方法，通过在螺旋臂上分段加载三个阻值90Ω的电阻，引导行波电流，同时吸收螺旋臂末端的反射电流，以改善低频段性能。该天线采用指数渐变微带巴伦馈电，背腔填充吸波材料实现单向辐射。仿真结果表明：该天线在2～12GHz范围内可实现VSWR＜2，轴比小于3dB。

关键词：平面螺旋天线；小型化；指数渐变巴伦

引言

平面螺旋天线具有自相似结构，重量轻、频带宽、易实现圆极化等优点，在空间特种通信［1］、反辐射导弹导引头［2］等领域得到广泛应用。通信系统的小型化及导引头有限的尺寸与主被动复合雷达威力之间的矛盾，使得平面螺旋天线小型化设计具有重要的工程价值［3，4］。

本文通过延长螺旋臂的电长度，在螺旋臂终端分段加载三个阻值90Ω的电阻的方法改善天线低频段性能，从而实现小型化设计。最后通过仿真设计了一个尺寸φ40mm×30mm，采用指数渐变巴伦馈电、背腔填充吸波材料实现单向辐射的阿基米德平面螺旋天线，结果表明，该天线在2～12GHz范围内可实现VSWR＜2，轴比小于3dB。

1 天线设计

1.1 平面螺旋天线小型化设计

常规的阿基米德平面螺旋天线，虽然工作带宽达9∶1，但几何尺寸太大。由该型天线的工作原理［5］可知，有效辐射区为周长约为一个波长的那些环带，对应的螺旋线直径Φ=λ/π。实际上，沿着螺旋线传输的电流通过有效辐射区时，虽已将大部分能量向空间辐射，但仍有部分到达终端，造成电流的终端反射。为了改善天线的阻抗匹配以及轴比，天线的口径应该满足Φ1.25λmax/π，其中λmax为最低工作频率对应的波长。

按照该天线的工作频率要求，低频工作在2GHz，则天线的口径应至少为59.6mm。按照常规设计，无法满足装机尺寸限制条件，因此需要对螺旋线的设计进行改进，实现小型化。如图1所示，天线介质基板采用单面覆铜Rogers RO4350，介电常数3.66，厚度1.524mm，通过以下改进措施改善低频性能，将天线口径减小到φ40mm：

a） 对阿基米德螺旋线进行波纹调制，如采用正弦调制，通过增加正弦波纹的幅度与周期数，有效的延长螺旋线的周长，展宽螺旋天线的工作频带；

b） 采用终端集总电阻加载的方法，通过在螺旋线上分段渐变加载三个阻值90Ω的电阻引导行波电流，同时吸收螺旋线末端的反射电流，达到降低电压驻波比和改善低频点轴比的目的。

1.2 指数渐变巴伦及背腔设计

图1 阿基米德平面螺旋小型化示意图

通过仿真优化，该天线的输入阻抗为90Ω，同时双臂平面螺旋为平衡结构，需要采用平衡方式进行馈电，常用的50Ω射频同轴线为非平衡结构。因此需要增加50Ω-90Ω非平衡-平衡转换巴伦。

巴伦采用指数渐变微带线，结构示意图如图2所示，尺寸27mm×6mm，微带板采用Rogers RO4003，介电常数3.55，厚度0.508mm。

图2 指数渐变巴伦示意图

为了实现天线的单向辐射，需要在天线的一边增加反射腔，或者在背腔内填充吸波材料。常用的反射腔主要有深度λ/4的平底腔和圆台异形腔。鉴于天线工作带宽6∶1，选择在背腔内填充吸波材料AN-75实现单向辐射。

2 仿真结果

该天线的结构示意图如图3所示，主要由阿基米德螺旋线、指数渐变微带巴伦、背腔及吸波材料等组成。

通过HFSS对该天线进行优化仿真，驻波曲线如图4所示，图中可见2～1 2 G H z范围内VSWR＜1.7。图5、图6分别给出了增益、轴比的仿真结果。典型频点各切面的方向图和轴比如图7、图8所示。结果表明：2～12GHz范围内轴比小于2.5，3～12GHz范围内增益均大于3dB，2GHz增益只有-4dB。小型化设计对低频点的轴比改善明显，由于加载吸收电阻使低频点的天线效率下降，增益降低。

图3 平面螺旋天线结构示意图

图4 驻波比特性

图5 增益特性

图6 轴比特性

图7 典型频点的方向图

图8 典型频点的轴比

3 结语

本文结合2～1 2 G H z阿基米德平面螺旋天线，阐述了平面螺旋天线的小型化设计方法。通过对螺旋臂进行正弦波纹调制，增加正弦波纹的幅度与周期数，有效的延长螺旋臂的周长，降低工作频率下限；采用终端集总电阻加载的方法，通过在螺旋臂上分段加载三个阻值90Ω的电阻，引导行波电流，同时吸收螺旋臂末端的反射电流，改善低频段性能。该天线尺寸为φ40mm×30mm，采用指数渐变微带巴伦馈电，背腔填充吸波材料实现单向辐射。仿真结果表明：该天线在2～12GHz范围内可实现VSWR＜2，轴比小于3dB，整体性能优良。

参考文献

［1］陈鹏鹏，杨青慧，张怀武，宽频带卫星导航平面螺旋天线设计［J］，压电与声光，36卷第3期，2014.6.

［2］王起飞，主被动复合导引头天线系统的结构布局［J］，制导与引信，2003.9：24（3）.

［3］何志国，徐风清，崔景波，一种星载平面螺旋天线的小型化设计方法［J］，航天器工程，2012，21（1）：68-71.

［4］王光明，王亚伟，梁建刚，平面螺旋天线小型化研究［J］，微波学报，2013，29（21）：139-144.

［5］阮成礼著，超宽带天线理论与技术.哈尔滨工业大学出版社，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

中图分类号：TN82

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-205-04

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.023

作者简介：

臧永东，男，工程师，博士。研究方向：微波天线设计。

E-mail： zangyongdong666@126.com