一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计.doc

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1、一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计夏成刚（华南理工大学电子与信息学院）摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。关键词：螺旋天线；巴伦；设计DesignofAPlanarEquiangularSpiralAntennaandtheBalunXIAcheng-gang（SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofT

2、echnology）Abstract:Inthispaper，Wedesignedadouble-armedplanarequianguarspiralantennaandfedby50ohmcoaxial-cable,itworksat0.4-2GHz.Tomatchthebalancestructureanthewidebandcharacteroftheantenna,itsbalunismicrostripline-parallelwirewhichisexponentiallytrapeziatype。Simulatorresultsshowthatth

3、eproposedantennaisofgoodcircularpolarizationandwidebandcharacteristics.Keywords:SpiralAntenna，Balun，Design1引言平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。常用的平面螺旋天线有阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线等，这类天线都有互补周期性结构，能够在较宽频带内保持天线的输入主抗基本不变，易于匹配，通常采用巴伦进行匹配。本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，并设计了匹配

4、的巴伦，通过HFSS仿真计算，给出了0.4-2GHz范围内天线的增益、阻抗、圆极化轴比及部分频率点的方向图。2平面等角螺旋天线的设计2.1平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线是一种完全由角度确定形状的天线，其曲线方程[1]为r=r0ea(Φ-Φ0)(2.1)式中：r0是对应Φ0时的矢径，a为螺旋增长率，Φ0为螺旋的起始角。平面等角螺旋天线如图1所示。当a减小时，螺旋臂曲度增大，电流沿螺旋臂衰减变快。通常a取值为0.12-1.20，当螺旋臂等于或大于一个波长时，天线开始呈现出非频变天线特性，因此通常要求臂长大于一个波长，天线半径R则至少等于λ/4。图1平面等角螺旋天线（

5、δ=90）等角螺旋天线形式上分为单臂、双臂、四臂等，在本设计中采用双臂螺旋。等角螺旋天线每一臂都是有一定宽度的，且都是由两条起始角相差为δ的等角螺旋线构成，在本文中取δ=90，此时金属等角螺旋天线与其空隙部分的形状完全相同，这样的结构称为自互补结构。平面等角螺旋天线辐射圆极化波，最大辐射方向在天线平面两侧的法线方向上。2.2天线的设计在本文中设计参数如下：直径D=600mm,r0=15mm,δ=900,a=0.194,基板板采用FR4板,厚度h=1.6mm,介电常数ε=4.4。3巴伦的设计对一个互补结构的天线，由巴比涅原理知：具有两个臂无限大的结构的互补结构天线，

6、其输入阻抗值约为188.5Ω，由于该螺旋天线是平衡双线对称结构，其馈电也应该采用平衡馈电方式，同轴电缆是最常用的宽带馈电线，其特性阻抗为50Ω，馈电方式为非平衡馈电。由于本文所设计天线并非完全互补结构，其仿真输入阻抗值约为140Ω，因此需增加相应的平衡-非平衡阻抗转换巴伦。常见的巴伦有玛春德巴伦（Marchandbalun）[2]、指数渐变的微带线巴伦[3]等，在本文中设计了一个梯形结构的微带巴伦[4]，如图2所示。这种结构的微带巴伦具有良好的宽带特性，设计参数如下：w=0.9mm,w1=6.09mm,w2=20mmh=6.4mm,l=76.6mm,ε=4.4。图

7、2梯形结构的微带巴伦整个天线结构如图3所示。图3带巴伦的天线结构图4仿真结果采用AnsoftHFSSV.10进行仿真计算，如图5所示，在0.4-2GHz频段内最大反射损耗为-11.5db,同时仿真计算了其增益、轴比和部分频率点方向图，如图4-7所示。图40.4-2GHz带巴伦时天线反射损耗图50.4-2GHz带巴伦时天线增益图60.4-2GHz带巴伦时天线圆极化轴比图7平面等角螺旋天线方向图（左为920MHz，右为1700MHz）5结论本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线及其匹配的巴伦，采用50Ω同轴电缆馈电，工作在0.4-2GHz范围内，在工作频段内增益3-6.8

8、db,s1