一种低剖面平面螺旋天线的设计

一种低剖面平面螺旋天线的设计

[ 录入者:天线微波 | 时间:2008-12-19 12:31:09 | 作者:景小东张福顺 | 来源:Error! Hyperlink reference not valid. | 浏览:498次 ]

摘要文章提出了一种低剖面平面螺旋天线的设计方法，用金属反射板代替传统的A ／4反射腔来实现螺旋天线的单向辐射，并在螺旋末端接以阻性负载，以改善天线的电性能。实验结果表明，对于工作频带为1．3GHz～2．1GHz的四臂平面阿基米德螺旋天线，在保证天线特性的前提下，整个天馈结构的厚度减小至17ram。

0 引言

平面螺旋天线由于其结构的自相似性，能在很宽的频带内辐射圆极化波，因而获得了广泛的应用¨J。平面螺旋天线的辐射是双向的，但在实际应用中，往往要求天线具有单向辐射特性。通常的做法是，在螺旋天线的一侧加装反射腔，并根据实际情况在腔内填充微波吸收材料。这种做法能使天线达到相当宽的频带(2GHz～18GHz) 』，但其最大的缺点是，由于微波吸收材料的存在，近一半的辐射能量将被吸收掉 J，这使得天线的效率大大降低；即使不填充吸收材料，反射腔A／4的高度又使得天线的厚度过大，这在某些应用中又令人难以接受。

文章根据四臂平面螺旋天线的原理，设计了相应的馈电网络，将其地板作为天线的平面反射器，代替A／4反射腔，并在螺旋终端接阻性负载，以减小由镜像电流引起的互耦对天线电性能的影响。

通过调整天线辐射器与馈电电路板的间距，在保证天线电性能的前提下，使天线厚度减薄至17ram，满足低剖面要求。

1 天线设计

1．1 平面阿基米德螺旋天线

平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线，在结构上又有单臂、双臂、四臂之分。文章采用四臂平面阿基米德螺旋天线，其结构如图1所示。其中螺旋臂1的两条边缘线满足的曲线方程分别为：

多臂平面螺旋天线具有多个工作模式，不同的模式需要不同的激励方式。文献[5]中的分析表明，对于多臂平面螺旋天线，为激励出需要的工作模式，相邻各臂的输入电流应满足幅度相等，相位相差△ (360m／n)。(m为模数，n为臂数)。因此，对于工作于模式1的四臂平面阿基米德螺旋天线，相邻各臂的输入电流应满足幅度相等且相位依次相差90。。文章采用3个Wilkinson功率分配器及相移线来实现对天线的馈电，馈电网络结构如图2所示。功分器1通过两段长度相差a／2的微带线与功分器2、3相连，用以产生等幅反相信号；功分器2、3的输出端分别接两段长度相差a／4的微带线，这样，馈电网络将在A、B、C、D处输出幅度相等且相位依次相差90。的信号。在功分器1的输入端，通过一段a／4阻抗变换器与50Q微带线匹配，在A、B、C、D处通过四段平行馈线经由过孑L分别与天线四条臂的馈电点相连。馈电网络的微带线宽可根据天线的输入阻抗及平行馈线的特性阻抗来确定。

1．3 设计与实现

首先，根据所需工作频率确定螺旋面的直径D，使其周长约为1。5A⋯。取为130ram，螺旋率口=6．37，r0=11mm，馈电点问距d=8mm。根据公式(1)可以计算出激励于模式1的四臂平面阿基米德螺旋天线每条臂的对地阻抗为133I'~，考虑到馈电方式及介质的影响，实际的输入阻抗要低于该值，一般情况下，用lO01"l的馈线就能实现很好的匹配 j。据此，馈电网络输出端微带线特性阻抗设计为1001~，在4、B、C、D处经由过孑L通过四段平行馈线与天线各臂馈电点相连，调节平行馈线的问距可以实现与天线的匹配。

当用导体平面反射器来实现天线的单向辐射时，根据镜像原理，实臂与虚臂电流的互耦将破坏螺旋臂上的电流分布，从而使天线的电性能恶化，特别是当反射器与螺旋面的间距相对于波长很小时。可以通过在螺旋终端接阻性负载的方式加以改善。实验中发现，当负载阻值为120Q时，天线有较好的性能，天线厚度可减薄至1 7mm。集成的天线结构如图3所示。

2 测试结果

用HP8753D矢量网络分析仪对天线的驻波进行了测量，其结果如图4所示。可以看出，在11GHz～2．4GHz频带内，天线的驻波小于2。

在微波暗室中，用自制的天线远场自动测量系统对天线的轴比和方向图进行了测量。图5为轴比测试曲线，可以看出，由于馈电网络自身的窄带特性，大线的圆极化带宽小于其阻抗带宽，但仍然达到了在I．3GHz～2．1 GHz频带内轴比小于3dB的特性。图6给出了天线在1．3GHz、1．7GHz、2．1 GHz

处的测试方向图，可见方向图对称性较好，但由于反射地板尺寸较小，方向图后瓣较大。

3 结论

针对平面螺旋天线设计中所存在的不足，提出一种低剖面螺旋天线的设计方法，根据此方法所设计的四臂平面阿基米德螺旋天线，在工作频带内具有良好的阻抗和辐射特性，且整个天馈结构的厚度仅为17mm，远小于传统设计的厚度，天线结构简单紧凑，易于制作。