超宽带低剖面平面螺旋天线的研究与设计

笪策

摘 要：平面螺旋天线具有频带较宽、体积较小、圆极化性能较好等特点，在电子对抗中应用广泛。通过研究影响阿基米德平面螺旋天线带宽和剖面的主要因素，设计平面螺旋辐射器、微带馈电巴伦以及反射背腔，从而设计了在2～40 GHz频带范围内具有良好特性的平面螺旋天线。文章通过调整辐射器阻抗降低了巴伦长度，从而降低了天线剖面厚度，并且通过设计金属背腔增强了前向增益。仿真结果显示，所设计天线的频带较宽，并且圆极化特性良好。

关键词：平面螺旋天线；宽带；低剖面；巴伦；背腔

随着科学技术的不断发展，电子技术在军事领域的应用日益广泛，几乎全部的现代化武器系统都依赖于电子系统的技术效能。由于在现代战争中，电磁环境越来越复杂，电子对抗的地位也变得越来越重要[1-3]。

虽然传统的干扰和抗干扰方式已有相应的措施与之抗衡，但是随着新体制雷达的不断出现和发展，电子对抗出现了更大的挑战。电子对抗技术要求具有对低载获雷达的信息截获能力以及对宽带大功率雷达的干扰能力，由于系统带宽的不断提高，这就要求收发天线的带宽必须不断展宽来适应现代雷达的高分辨率[4]。

非频变天线的阻抗特性与方向图不会随频率变化，因此非频变天线是一种超宽带天线，在电子对抗中具有广泛应用[5]。非频变天线基于拉姆塞原理，其形状只由角度决定，尺寸可以为无限长。在实际应用中，天线的尺寸是有限的，这决定了电流应随着与输入端距离的增大而减小，并在电流极小的位置截断天线。平面螺旋天线是一种非频变天线，因此具有超宽带特性。

1 天线的设计

1.1 阿基米德螺旋天线

双臂阿基米德螺旋天线是由两条旋转对称的螺旋线组成，螺旋线在极坐标中的方程如下：

r0表示起始半径，a表示增长率，φ表示角度。在远离原点的线段上，密绕的阿基米德螺旋线与密绕的等角螺旋线相逼近。阿基米德螺旋天线并没有严格符合拉姆塞原理，因此不是严格的频率无关天线，但是其同样具有非常宽的频带，这是因为阿基米德螺旋天线具有一种“辐射带”理论。在周长为一个波长的圆环带，在垂直于螺旋平面的方向上，双臂的电场相互加强，形成辐射。

这一半径区域就是该频点的有效辐射带区域，随着频率的变化，有效辐射带也在不断移动，发生自比例效应，具有非频变特性[6-7]。且在有效辐射带相垂直的区域处，电场方向相互正交，因此圆极化特性良好[8-9]。

在双臂阿基米德螺旋天线中，如果螺旋臂线宽等于两螺旋臂的缝隙宽度，则称该结构为自互补结构。这一结构的螺旋天线的输入阻抗理论值为188.5 Ω，实际中由于有限长度和有限厚度的原因，输入阻抗约为120～140 Ω。

1.2 天线辐射器设计

本文使用CST Microwave-studio软件建立阿基米德螺旋天线辐射器模型并仿真，辐射器结构如图1所示。该辐射器的工作频率范围是2～40 GHz，由计算可得天线外径R=35 mm，内径r=0.8 mm。经过仿真优化，最后选择天线螺旋增长率a=0.3，螺旋圈数n=20。为了缩短馈电巴伦的长度，采用加宽螺旋臂线宽的方式减小辐射器阻抗，经仿真优化螺旋臂宽w=0.6 mm。同时逐渐切削螺旋臂的末端，以减小螺旋臂末端的反射电流，从而形成行波电流。

1.3 馈电巴伦设计

天线作为无源器件，需要馈电网络的支撑。平面螺旋天线是平衡式系统，而通常的微波传输同轴线是一种超宽带、非平衡传输线，如果将其直接连接会影响天线的辐射，因此需要进行平衡—非平衡转换的巴伦。所设计的天线辐射器实际输入阻抗为105 Ω，与常用的50 Ω同轴线连接时，需要进行阻抗匹配，而这种匹配需要满足平面螺旋天线的宽带要求，这就需要能够同时实现宽带匹配和平衡非平衡转换的宽带馈电巴伦[10-11]。

根据以上要求，本文采用微带线指数过渡到平行双线的設计，实现平衡—非平衡馈电方式的转换。再通过调整巴伦两端金属线宽度，实现同轴馈电线和辐射器之间的阻抗匹配。巴伦的结构如图2所示，底部为微带线，与同轴馈电线相连，其微带线宽为1.52 mm，接地板线宽为5 mm，特征阻抗为50 Ω；顶部为平行双线，线宽为0.8 mm，特征阻抗为105 Ω，两面分别与天线两臂相连。经大量仿真优化，在保证工作频率2～40 GHz范围具有较小的回波损耗的同时，大大缩短了巴伦长度，从而减小了天线的剖面厚度，其中，巴伦长度为10 mm。

1.4 背腔设计

为了实现天线的单向辐射，一般有两种方法：（1）在辐射器的背面添加吸波材料，由于吸波材料将吸收的能量全部损耗掉，辐射效率比较低。（2）在辐射器背面添加反射背腔，设计良好的反射背腔可以提高前向的增益，达到高效率辐射。本文采用添加反射背腔的方式来设计天线。常用的反射腔为平底腔，其深度约为波长的0.25倍，直径与辐射器基板外径相同[12-14]。当反射腔与天线间距大于1/4波长时，方向图会出现波瓣分裂，当间距小于1/12波长时，会导致增益小于不加背腔时的增益。如果反射腔为长度固定的平底腔，螺旋天线的非频变特性将会改变。本文设计了一种异形金属反射腔，其中金属腔底面外层为圆环状，内层为空心金属圆台，各部分使用介质基板相连接，其结构如图3所示。该异形结构圆台既能提升高频段的增益，也能使低频段保持较高的增益。

2 仿真结果分析

在巴伦底部建立50 Ω同轴线模型进行馈电，经仿真可得回波损耗如图4所示，天线在2～40 GHz内回波损耗均小于﹣10 dB，在全频段内阻抗匹配良好。

天线的增益特性、轴比特性和方向图特性仿真结果如图5—7所示。从图中可看出，该天线加背腔后在6～40 GHz范围内具有较高的增益，在低频段由于背腔与天线面间距过小影响了天线增益，这是因为牺牲低频段增益可以获得更低的剖面厚度。在2～35 GHz内轴比小于3 dB，圆极化性能良好，在高频段圆台提高了天线的增益，但是影响了天线的轴比性能，不过天线仍具有较好的圆极化效果。

仿真结果表明，该天线的阻抗带宽和圆极化带宽较宽，并能够在2～40 GHz极宽的带宽范围内具有良好的性能，相对带宽为20∶1。同时这一天线设计极大地降低了天线的剖面厚度，由一般平面螺旋天线30 mm的剖面厚度降低为10 mm，厚度仅为前者的33%。

3 结语

本文设计了一种超宽带低剖面平面螺旋天线，通过仿真结果可知，在2～40 GHz频带上该天线辐射特性良好，并且该天线的剖面厚度降为常规厚度的33%，仅有10 mm。此外，本文还进行了微带线指数渐变到平行双线的非平衡—平衡阻抗转换巴伦和异形反射腔的设计，使天线保持了宽频带特性以及高增益特性。

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