阿基米德螺旋天線

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集阿基米德螺旋天線小型化研究電子與信息技術(shù)研究院：田塽 指導(dǎo)教師：宋朝暉摘要：本論文介紹的是利用一種特殊的曲折臂方法對阿基米德螺旋天線進(jìn)行小型化，并且通過在天線的末端加載一個圓環(huán)來改善天線的圓極化特性。首先利用CST Microwave-studio軟件對設(shè)計的小型化天線及超寬帶饋電巴倫（balun）進(jìn)行計算機(jī)仿真；之后，根據(jù)仿真結(jié)果，加工最佳結(jié)構(gòu)的天線與巴倫，并進(jìn)行了測量。測量結(jié) 果表明本課題對天線小型化的整體分析與設(shè)計是合理、有效的。關(guān)鍵詞：阿基米德螺旋天線；超寬帶巴倫；天線小型化Abstract: This paper introduce

2、s a special zigzag-arm method for the miniaturization of the conventional Archimedean spiral antenna and improves the circular polarization characteristic of the miniaturization Archimedean spiral antenna by adding a loop on the back of printed circuit board which the antenna in etched on. Firstly,

3、a great deal of simulation of the miniaturization antenna and balun is made using CST （ Microwave-studio） software. Then, according to the simulated results, we process the embodiment with the optimum parameters and test it. The experimental results verify the effectiveness of this antenna design.Ke

4、y words： Archimedean spiral antenna ultra wide-band balun antenna miniaturization1引言阿基米德螺旋：一動點(diǎn)沿一直線作等速移動的同時，該直線又繞線上一點(diǎn)O作等角速度旋轉(zhuǎn)時，動點(diǎn)所走的軌跡就是阿基米德渦線。直線旋轉(zhuǎn)一周時，動點(diǎn)在直線上移動的距離稱為導(dǎo)程用字母S表示。超寬帶（Ultra Wide Band, UWB ）天線技術(shù)是超寬帶雷達(dá)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。應(yīng)用超寬帶天線制導(dǎo)的導(dǎo)彈將具有很強(qiáng)的信號接收能力和抗干擾能力，從而可以達(dá)到精確制導(dǎo)的軍 事目的。因此，發(fā)展超寬帶天線技術(shù)具有極其重要的軍事意義和現(xiàn)實(shí)意義

5、。阿基米德平面螺旋天線， 作為超寬帶天線的一種形式，可以做得尺寸很小，也較輕，而且可以齊平安裝，屬于低輪廓天線， 因此在最近的二十多年里，阿基米德平面螺旋天線得到了飛速的發(fā)展，不僅在雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍 事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時也在民用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，如它可以同時為GSM系統(tǒng)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)提供服務(wù)。本課題的研究和設(shè)計任務(wù)就是尋找一種能夠使傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線小型化的方法1。2適合課題要求的天線及巴倫的設(shè)計2.1天線的設(shè)計根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際要求，本文提出的設(shè)計思想是采用曲折臂的方法對阿基米德螺旋 天線進(jìn)行小型化設(shè)計。為了使小型化以后的天線的帶寬、增益、軸比和半功率角寬度都能達(dá)到設(shè)計 指

6、標(biāo)，要經(jīng)過各種天線模型與天線參數(shù)的調(diào)整，再通過CST軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真，根據(jù)合適的結(jié)果進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計、制作和測試。首先利用CST仿真軟件建模并仿真了傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線，天線結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。由于本課題所要設(shè)計的天線的工作頻率范圍為0.8GHz 4GHz,由此得外徑 R =75mm內(nèi)徑r =9.375mm。經(jīng)過對大量小型化天線模型的仿真，最后選擇了如圖2-2所示的曲折臂阿基米德螺旋天線的結(jié)構(gòu)（其中黑色為金屬良導(dǎo)體，即天線臂；藍(lán)色為聚四氟乙烯敷銅板，厚2.5mm介電常數(shù) 2.32 ）。小型化-103 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)

7、秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集之后的外徑為R=64mm即縮小了近15%圖2-1標(biāo)準(zhǔn)天線圖2-2小型化天線-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集如文獻(xiàn)2所述，為了進(jìn)一步改善高頻段工作特性，小型化螺旋天線的內(nèi)徑改為3mm兩饋電點(diǎn)之間距離為4mm因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，當(dāng)螺旋內(nèi)徑等于螺旋寬度時可以在高頻段得到較好的 VSWR另外，根據(jù)實(shí)際的制作材料限制，天線的輸入阻抗不能大于170 1，因此這里采用改變螺旋臂寬度的方法來調(diào)節(jié)天線輸入阻抗。理論上，螺旋臂越寬阻抗值越低。將小型化天線的內(nèi)部三圈改 為3mm寬的螺旋臂，兩臂之間的間隙為3mm構(gòu)成三圈標(biāo)準(zhǔn)的自補(bǔ)型阿基米德螺旋天線，這樣高頻段的阻

8、抗為190"左右；從第四圈開始將臂曲折化，開始半圈的臂寬為2mm之后過渡到外部的一圈半曲折臂，臂寬1mm這樣做既可以使臂寬逐漸由寬變細(xì)，不至于產(chǎn)生突變，也能夠使輸入阻抗在中頻 段和低頻段的阻抗值分別為150 i 1和120 i 1左右。這樣可以使此小型化天線在以170 1饋電的情況下，VSWR1.5。但是，由于此小型化天線的外徑縮小了，即最外圈的物理長度縮小了，電長度也隨之縮小，而 螺旋的外部各圈恰恰是低頻段對應(yīng)的有效輻射區(qū)，所以小型化之后，根據(jù)仿真結(jié)果，對天線的低頻 段工作特性有一些影響，尤其是對低頻段軸比的影響較大，以f=0.8GHz為例，小型化之后，與標(biāo)準(zhǔn)天線相比，軸比變差了

9、2dBo經(jīng)過大量的設(shè)計與仿真，找到了一種在天線的末端加載一圓環(huán)的方法， 來改善低頻段的軸比。如圖2-3所示，便是在正面敷有天線的介質(zhì)板背面的一個金屬圓環(huán)(黑色為金屬圓環(huán))。通過改變內(nèi)、外徑的參數(shù)并進(jìn)行仿真，得到最佳圓環(huán)的外徑為64mm，與天線外徑相同；最佳的內(nèi)徑為60mm，其對應(yīng)的圓周略大于下限工作頻率0.8GHz對應(yīng)波長。圖2-3介質(zhì)板背面圓環(huán)FtrHeld 口測罰DO279圖2-4軸比對比(f=0.8GHz )由圖2-4可見，在低頻端(f=0.8GHz ),小型化天線的軸比優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)天線近4dB,使軸比得到很大改善。對于圓環(huán)所起到的作用，可能有以下兩個方面：1.耦合。由于天線末端電流與圓環(huán)之

10、間的耦合，圓環(huán)內(nèi)部的電流產(chǎn)生了與螺旋天線圓極化方向相同的電磁波，進(jìn)而補(bǔ)償了天線遠(yuǎn)場的圓極化輻射波。2.相當(dāng)于負(fù)載電阻。在文獻(xiàn)15和18中都提到，在螺旋末端產(chǎn)生的反射波所輻射的圓極化波 的方向與入射波相反，它嚴(yán)重的影響了入射波的遠(yuǎn)場極化特性。因此為了避免電流在螺旋最外層的 邊沿上反射，通常在螺旋線的末端接吸收電阻或吸收負(fù)載，這樣螺旋線上只載有行波電流，它產(chǎn)生 的是圓極化波。另外，為了在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)得到良好的阻抗匹配，也應(yīng)該將吸收電阻放在 下限工作頻率對應(yīng)的有效輻射區(qū)的外面，以吸收反射波。根據(jù)CST仿真結(jié)果，圓環(huán)的最佳內(nèi)徑為 60mm其對應(yīng)的圓周長恰好略大于下限工作頻率0.8GHz對應(yīng)的有

11、效輻射區(qū)。在許多文獻(xiàn)中都提到，通過在螺旋線末端加負(fù)載電阻吸收反射波的方法可以改善VSWf和極化特性，但是會降低天線增益。從CST仿真結(jié)果可以看到，背面加圓環(huán)以后的小型化天線的增益略微有一些下降。至此，根據(jù)CST軟件的方針結(jié)果，本文得到的小型化天線，增益36dB，半功率角大于 60 ° ,圓極化，在以170門饋電的情況下，VSWR < 1.5，各項(xiàng)指標(biāo)均與工作在 0.8GHz 4GHz頻段上的標(biāo) 準(zhǔn)阿基米德螺旋天線相同；而小型化天線的外徑縮小了15%，由75mm縮小到64mm。2.2超寬帶巴倫（balun ）的設(shè)計本節(jié)涉及到的超寬帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計主要包括兩個方面的問題。一方面，

12、在設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)之 初，考慮到系統(tǒng)帶寬的要求和實(shí)際測試條件的需要，采用5!同軸線進(jìn)行饋電。同軸線是傳統(tǒng)的超寬帶、非平衡饋電形式，但是由于本文設(shè)計的曲折臂阿基米德螺旋天線需要進(jìn)行等幅反相的平衡饋 電，這就引入了饋電系統(tǒng)的非平衡-平衡轉(zhuǎn)換問題。另一方面，根據(jù)CST軟件的仿真結(jié)果，本文設(shè)計的小型化天線的輸入阻抗為170門，而實(shí)驗(yàn)測量采用的同軸饋電線特性阻抗為50，這樣就存在一個阻抗變換問題。所以，本節(jié)介紹的巴倫設(shè)計，一是要進(jìn)行非平衡-平衡饋電的轉(zhuǎn)化，二是要實(shí)現(xiàn)阻抗變換。根據(jù)以上設(shè)計目的和實(shí)際要求，本設(shè)計采用的是如文獻(xiàn)3中所述的一種以漸變微帶線過渡到平行雙線為基本形式的設(shè)計思想，從微帶線過渡到平行雙線可

13、以很好的進(jìn)行非平衡-平衡饋電方式的轉(zhuǎn)換，同時，又可以通過微帶線寬度和雙線寬度指數(shù)漸變來改變巴倫各點(diǎn)的特性阻抗，使得饋電同軸 線阻抗與天線輸入阻抗匹配。設(shè)計的巴倫結(jié)構(gòu)如下：始端是微帶線結(jié)構(gòu)，為同軸線饋電輸入點(diǎn)，特 性阻抗50門，采用微帶線結(jié)構(gòu)，根據(jù)介質(zhì)厚度和介電常數(shù)等選擇微帶線結(jié)構(gòu)參數(shù)。微帶線的微帶部 分和地板分別進(jìn)行指數(shù)漸變，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)拈L度以后變成平行雙線結(jié)構(gòu)，兩線分別接天線兩條臂的 饋電端，端點(diǎn)特性阻抗為170門，參數(shù)按照雙線特性阻抗進(jìn)行計算。根據(jù)CST仿真結(jié)果選擇最佳的巴倫結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2-5所示。指數(shù)漸變a）俯視區(qū)1/聚四氟乙烯£=2.左巴愴長度l=37Jmm微帶條地板-10

14、5 -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(論文)選集b）側(cè)視圖-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）選集圖2-5指數(shù)漸變的微帶線-雙線巴倫示意圖但是這樣的設(shè)計使得巴倫縱向尺寸增大，天饋系統(tǒng)也就不滿足小尺寸要求。為了減小天線整體 設(shè)計尺寸，我們采用圓環(huán)式的微帶變換線，即將微帶線沿著圓形環(huán)繞兩周，使巴倫的長度不變甚至 增長，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)并不發(fā)生變化。變換線在圓環(huán)上任意一點(diǎn)的特性阻抗與巴倫為直線時一樣，是 按指數(shù)規(guī)律變化的，如圖 2-6和2-7所示。圖2-6饋線微帶條一側(cè)圖2-7饋線地板一側(cè)-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)20

15、05屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）選集-# -哈爾濱工業(yè)大學(xué)2005屆本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）選集采用的這種環(huán)形結(jié)構(gòu)，在中間部分向上彎曲與天線饋電點(diǎn)相接，從而降低了天線整體結(jié)構(gòu)的高 度，這里采用的高度 H=50mm即天線平面與饋線平面的距離。3試驗(yàn)與測試本章根據(jù)第2章設(shè)計的天線及巴倫的尺寸制作了實(shí)物并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對其進(jìn)行了測量。實(shí)物圖片及測量結(jié)果示于下面各圖。圖3-1天線結(jié)構(gòu)圖3-2饋線微帶條一側(cè)圖3-4裝配以后的饋線部分圖3-3饋線地板一側(cè)圖3-5裝配以后的天饋系統(tǒng)3 FDHflRP HEFIECTI0HLtit, hamilutEdisCH - si | flEF4B FF9Er圖3-6測量

16、結(jié)果1.43MdbM BMe -ii mLHliMEIfiM HU -LI.SH5 (HnAHECH 13 HK4 朋REER 11 NlriHftRHR HADDUT FUHCHOMr-IAHI- *H "6HeU.iii-悼"Er應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行反射損耗測量，得到的結(jié)果如圖3-6所示。測量結(jié)果表明，VSWF在0.8GHz4GHz之間小于3，符合設(shè)計指標(biāo)要求。特別是在中頻段，VSWR能夠小于2，而且低頻段較冋頻段好些。但疋能有以下兩點(diǎn)：VSW阱不都小于2，而天線與巴倫的 VSWF仿真結(jié)果均小于1.5。究其原因，可1.由于在焊接平面漸變線巴倫與豎直的雙線連接處時，有

17、一些有棱角的焊點(diǎn)， 產(chǎn)生了局部突變,對高頻段的傳輸特性造成了一定影響；2 .由于在測量時，天線平面與巴倫平面之間沒有加入可以實(shí)現(xiàn)單向輻射的吸波材料，因此天線 的后向輻射對平面巴倫的阻抗匹配造成了很大影響；同時，巴倫也會對天線產(chǎn)生一定的影響。綜上所述，如果能夠改善這些不利因素，此天饋系統(tǒng)的測量結(jié)果應(yīng)該能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的指標(biāo) 要求。結(jié)論在滿足設(shè)計指標(biāo)要求的帶寬，增益、方向性和極化特性的情況下，并且參閱了大量相關(guān)資料之 后，最終確定了如本文所述形式的曲折臂螺旋天線的設(shè)計方法，以增加天線的低頻電長度，縮小天 線尺寸，使天線外徑由 75mm降至64mm比傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線外徑縮小近15%為了改善小型

18、化天線在低頻端的圓極化特性，在天線末端加載了一個圓環(huán)。測量結(jié)果表明該天線在0.8GHz 4GHz頻帶范圍內(nèi)阻抗特性良好，VSWR<3另外，由于該天線采用角度定義的方式，因此可以比較容易的設(shè)計出不同頻段的天線，只要將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參量改變就可實(shí)現(xiàn)特定的頻段要求；并且如果發(fā)生其它 問題，可以根據(jù)已經(jīng)得到的參量的影響結(jié)果，分析結(jié)論找到問題的所在，這為以后的設(shè)計提供了直 觀的參考。在饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，采用漸變線巴倫設(shè)計，可以同時滿足天線系統(tǒng)的平衡饋電要求和阻抗匹 配要求；并且，采用的環(huán)形結(jié)構(gòu)使巴倫尺寸減小、結(jié)構(gòu)合理，進(jìn)而使天饋系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡單，尺 寸滿足設(shè)計指標(biāo)要求。由此可見，本課題設(shè)計的新型曲折臂阿基米德平面螺旋天線具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，增益高， 方向性和極化特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。參