平面螺旋天线及宽带巴伦的设计和仿真.pdf

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1、-110-Ansoft2004年用户通讯平面螺旋天线及宽带巴伦的设计和仿真吕世东吕昕(北京理工大学电子工程系53教研室100081)摘要：本文介绍了自补型平面等角螺旋天线及宽带巴伦的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件AnsoftHFSS对该天线及宽带匹配网络进行仿真，得到良好的结果，对天线方向的设计具有良好的指导意义。关键词：自补型平面等角螺旋天线渐变线阻抗匹配平衡馈电一平面等角螺旋天线1.1自补型平面等角螺旋天线天线不能用于宽频带的原因是频率变化时，天线的线性电长度相应的发生变化，从而破坏了天线的电性能。如果天线的外形只由角度决定，而不包

2、含线性长度，则天线的性能就不受频率的影响。当一种天线的特征只是用角度表征时，该天线的电流在离开馈电点时逐渐减小，那么在电流足够小处把天线截断将不会影响它的宽带特性。等角的螺旋天线表面的几何形状可由角度来描述，它满足非频变天线形状的要求。由于沿其表面曲线延伸到无限远。为给定有限尺寸的天线，必须设计臂长。最低工作频率发生在总臂长可与波长相比拟时，高于该频率，方向图和阻抗特性与频率无关。平面等角螺旋天线如图1所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。aϕ边缘1的方程为ρρ1=0e，边缘2相对边缘1旋转角δ，a()ϕ−δρρ=e其方程为20。天线的另一臂的边缘

3、应使结构对称，即a()ϕ−πρρ=e一臂旋转半圈将与另一臂重合，因而有30和πa()ϕ−−δπδ=ρρ=e40。当2时，为自补形结构，方向图对称性最好。平面等角螺旋天线的上限工作频率由馈电端决定，对于ε=4，最小半径ρ0约为四分之一波长；下限工作频率由轮廓半图1ρρ径决定，约为四分之一波长。试验表明，对于半圈至3圈的螺旋天线，参数a和δ的影响不显著，约1圈半时性能最佳。对于平面等角螺旋天线而言，8:1的带宽是典型的，然而20:1的带宽也可得到。试验表明自补的平面等角螺旋天线有以下特性。1、在天线平面的法向波束具有较宽的方向图，场方向0图近似为cosθ，

4、在一定的参数下，半功率宽度近似为90，如图2所示。02、由边射一直到±70的宽角范围内辐射场近似为圆极化。3、极化的旋向由螺旋线的扩展方向决定。沿纸面向外的方向辐射右旋圆极化波（如图1示），沿相反的方向辐射左旋圆极化波。4、输入阻抗理论值为188.5Ω，而实际输入阻抗偏低，图2在500MHz～3GHz的范围内约为164Ω。5、具有较宽的阻抗带宽（非频变天线）。6、天线增益与选用的半功率波瓣宽度有关。半功率波瓣宽度越宽，增益越低；半功率波瓣宽度越窄，增益越高。PartnersInDesignAnsoft2004年用户通讯-111-结合上面的分析，综合极化

5、、带宽、增益、结构等因素可知自补型平面螺旋天线有非常好的应用前景，下面对其进行建模与仿真。1.2仿真模型与结果图3图4用HFSS进行仿真所得的增益方向图4：从图可见，天线辐射的主瓣非常清晰，并且向天线的两侧辐射，这一点与理论完全吻合。不过，美中不足是辐射方向图略显不对称，尤其是后向辐射的波瓣。这与端口本身的设置不对称有关，这是由于实际天线的馈电是由宽带巴伦的对称馈电，这里的馈电并不是真实情况，只是为给天线引入端口而做，所以对天线辐射对称性的影响可以不予考虑。二宽频带匹配网络2.1连续式阻抗变换器如果在特性阻抗不同的两段传输线之间插入特性阻抗连续变化的过

6、度传输线段，则这种变换器称为连续式或渐变式阻抗变换器。首先讨论这种变换器反射系数的一般表示式。图5是这种变换器（渐变线）的示意图，以及说明由无限多个小“台阶”所组成的变换器的演变过程示意图。图5a、连续式阻抗变换器b、演变过程示意图首先求带有“台阶”的变换器的反射系数，然后令每个“台阶”的长度无限减小，“台阶”的数目无限增加，那么在极限情况下求出的反射系数，就是连续式阻抗变换器的反射系数。设过度段总长度为l，过度段的始端（左端）所接传输线的特性阻抗为Z()0，终端（右端）所接传输线的特性阻抗为Zl。过度段中任一位置x处的特性阻抗为Z()x，在x+∆xZ

7、(x+∆x)Γ处的特性阻抗为，由于阻抗的微小变化而造成的反射系数x为：Zx()+∆x−Z(x)dZx()11dΓ=x≈=dZ⎡⎤⎣⎦ln()x=⎡⎤⎣⎦lnZ()xdxZx()+∆x+Z(x)22Z()x2dx（1）∆xdΓin若忽略各个台阶之间多次来回反射的影响，则小段在过度段始端造成的反射系数为：−−jx22ββ1jxd（2）deΓ=inΓx=e⎡⎣lnZ()x⎤⎦dx2dxPartnersInDesign-112-Ansoft2004年用户通讯对该式在过度段总长度L上积分，就得到过度段始端的总反射系数Γ为：in1l−jx2βdΓ=in∫eZ⎡⎣l

8、n()x⎤⎦dx（3）20dxββ=2πλ这就是连续式阻抗变换器反射系数的一般表达式。式中是相