基于高阻抗表面螺旋天线设计

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1、基于高阻抗表面螺旋天线设计　　摘要：利用高阻抗表面的同相反射特性，将其加载到阿基米德螺旋天线背腔的边缘区域，从而改善了天线增益，实现低剖面设计。仿真结果显示，与传统背腔式螺旋天线相比，增益稳定性显著提高。在3～12GHz的工作频段内，驻波比小于2，阻抗匹配良好，辐射方向图保持稳定。在约7.8GHz的频带宽度内轴比小于3dB，实现了较好的圆极化性能。关键词：高阻抗表面；阿基米德螺旋天线；宽带；低剖面；圆极化中图分类号：TN823+.31?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）05?0077?030引言5随着通信技术的发展和宽带无线电设备的出现，超宽带天线技术

2、在遥测、宇航和卫星通信等领域得到了广泛的应用。平面螺旋天线，由于其结构满足非频变原理，因而它们在宽频带范围内具有良好的阻抗特性，增益特性以及圆极化等特点。而且平面螺旋天线为双向辐射，为了实现单向辐射，通常在螺旋天线的一侧加装深度约为[λ4]的反射背腔，但这种方法会破坏原天线良好的圆极化性能，改变非频变特性，增大天线轮廓。如果在反射腔内填充适当的吸波材料使其单向辐射，这样会导致天线辐射效率的降低。高阻抗表面（HighImpedanceSurface，HIS）由于在特定频率范围具有零相位反射的特点，因而可以将其代替传统的导体反射板来设计低剖面天线[1?4]。但由于高阻抗表面相对窄

3、的同相反射带宽，限制了其在宽带系统中的应用。为改善增益、降低剖面，本文在螺旋天线背腔的边缘区域加载了高阻抗表面（HIS），仿真结果表明，天线在3～12GHz的工作带宽内驻波比小于2，增益稳定性明显提升，主辐射方向轴比小于3dB的频带宽度达到7.8GHz。1传统背腔式螺旋天线设计2加载高阻抗表面的螺旋天线设计2.1高阻抗表面简介高阻抗表面可分为有金属过孔的蘑菇型和无过孔的共面高阻抗表面。当平面波入射到高阻抗表面时，反射相位随着频率的增加，由180°～-180°连续变化，在谐振频率处相位为0°。通常将反射相位在90°～-90°相应的频率范围定义为高阻抗表面的同相带宽，即在此频带内

4、可等效为人工磁导体（ArtificialMagneticConductor，5AMC），因而可被用于设计天线反射板。此外，高阻抗表面对于沿其表面传播的电磁波也呈现带隙特性，应用于印刷天线中能有效地抑制表面波在介质基片中的传播，从而对天线后向辐射的减小，天线阵单元间互耦的降低，以及效率和增益的提高有着明显改善[7?10]。2.2高阻抗表面单元设计考虑到加工和制作的方便，本文采用无过孔的共面高阻抗表面，即在背衬接地板的介质表面上周期性印刷频率选择表面的金属图案，结构如图3所示，它可以在一定频率范围内等效为人工磁导体（AMC）。高阻抗表面蚀刻在厚度[h=]3mm，相对介电常数为4.

5、4的介质基片上，周期单元贴片边长[W=]8mm，单元间隙[g=]1mm，由电磁仿真软件AnsoftHFSS得反射相位曲线如图4所示。3结论为了实现高增益、低剖面的目的，本文利用高阻抗表面同相反射特性，将其加载到阿基米德螺旋天线背腔的边缘区域，天线口径为84mm，加背腔后的整体高度仅有8mm。仿真分析表明：改进后的螺旋天线增益较为平坦，平均增益为7dB，阻抗匹配良好，在约7.8GHz的频带宽度内轴比小于3dB，且辐射方向图稳定，能有效抑制后向辐射，实现了较好的圆极化性能。参考文献[1]BELLJM，ISKANDERMF.Alow?profileArchimedeanspiral

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