一种低剖面平面螺旋天线的设计

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1、一种低剖面平面螺旋天线的设计[录入者:天线微波

2、 时间:2008-12-1912:31:09

3、作者:景小东张福顺

4、来源:

5、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

6、，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

7、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

8、，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

9、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

10、。    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17mm。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

11、。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～2．1GHz频带内轴比小于3dB的特性。图6给出了天线在1．3GHz、1．7GHz、2．1GHz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。