一種低剖面平面螺旋天線的設(shè)計(jì)

1、一種低剖面平面螺旋天線的設(shè)計(jì) 錄入者:天線微波 | 時(shí)間:2008-12-19 12:31:09 | 作者:景小東 張福順 | 來源: | 瀏覽:498次 摘要 文章提出了一種低剖面平面螺旋天線的設(shè)計(jì)方法，用金屬反射板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的A4反射腔來實(shí)現(xiàn)螺旋天線的單向輻射，并在螺旋末端接以阻性負(fù)載，以改善天線的電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于工作頻帶為13GHz21GHz的四臂平面阿基米德螺旋天線，在保證天線特性的前提下，整個(gè)天饋結(jié)構(gòu)的厚度減小至17ram。 0 引 言平面螺旋天線由于其結(jié)構(gòu)的自相似性，能在很寬的頻帶內(nèi)輻射圓極化波，因而獲得了廣泛的應(yīng)用¨J。平面螺旋天線的輻射是雙向的，但在實(shí)際應(yīng)用中

2、，往往要求天線具有單向輻射特性。通常的做法是，在螺旋天線的一側(cè)加裝反射腔，并根據(jù)實(shí)際情況在腔內(nèi)填充微波吸收材料。這種做法能使天線達(dá)到相當(dāng)寬的頻帶(2GHz18GHz) ，但其最大的缺點(diǎn)是，由于微波吸收材料的存在，近一半的輻射能量將被吸收掉 J，這使得天線的效率大大降低；即使不填充吸收材料，反射腔A4的高度又使得天線的厚度過大，這在某些應(yīng)用中又令人難以接受。文章根據(jù)四臂平面螺旋天線的原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)，將其地板作為天線的平面反射器，代替A4反射腔，并在螺旋終端接阻性負(fù)載，以減小由鏡像電流引起的互耦對天線電性能的影響。通過調(diào)整天線輻射器與饋電電路板的間距，在保證天線電性能的前提下，使天線厚

3、度減薄至17ram，滿足低剖面要求。1 天線設(shè)計(jì)11 平面阿基米德螺旋天線平面螺旋天線的基本形式為等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線，在結(jié)構(gòu)上又有單臂、雙臂、四臂之分。文章采用四臂平面阿基米德螺旋天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中螺旋臂1的兩條邊緣線滿足的曲線方程分別為：多臂平面螺旋天線具有多個(gè)工作模式，不同的模式需要不同的激勵(lì)方式。文獻(xiàn)5中的分析表明，對于多臂平面螺旋天線，為激勵(lì)出需要的工作模式，相鄰各臂的輸入電流應(yīng)滿足幅度相等，相位相差 (360mn)。(m為模數(shù)，n為臂數(shù))。因此，對于工作于模式1的四臂平面阿基米德螺旋天線，相鄰各臂的輸入電流應(yīng)滿足幅度相等且相位依次相差90。文章采用3個(gè)Wilki

4、nson功率分配器及相移線來實(shí)現(xiàn)對天線的饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。功分器1通過兩段長度相差a2的微帶線與功分器2、3相連，用以產(chǎn)生等幅反相信號；功分器2、3的輸出端分別接兩段長度相差a4的微帶線，這樣，饋電網(wǎng)絡(luò)將在A、B、C、D處輸出幅度相等且相位依次相差90。的信號。在功分器1的輸入端，通過一段a4阻抗變換器與50Q微帶線匹配，在A、B、C、D處通過四段平行饋線經(jīng)由過孑L分別與天線四條臂的饋電點(diǎn)相連。饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線寬可根據(jù)天線的輸入阻抗及平行饋線的特性阻抗來確定。13 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)首先，根據(jù)所需工作頻率確定螺旋面的直徑D，使其周長約為1。5A。取為130ram，螺旋率口=637，r0=1

5、1mm，饋電點(diǎn)問距d=8mm。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出激勵(lì)于模式1的四臂平面阿基米德螺旋天線每條臂的對地阻抗為133I'，考慮到饋電方式及介質(zhì)的影響，實(shí)際的輸入阻抗要低于該值 ，一般情況下，用lO01"l的饋線就能實(shí)現(xiàn)很好的匹配 j。據(jù)此，饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端微帶線特性阻抗設(shè)計(jì)為1001，在4、B、C、D處經(jīng)由過孑L通過四段平行饋線與天線各臂饋電點(diǎn)相連，調(diào)節(jié)平行饋線的問距可以實(shí)現(xiàn)與天線的匹配。當(dāng)用導(dǎo)體平面反射器來實(shí)現(xiàn)天線的單向輻射時(shí)，根據(jù)鏡像原理，實(shí)臂與虛臂電流的互耦將破壞螺旋臂上的電流分布，從而使天線的電性能惡化，特別是當(dāng)反射器與螺旋面的間距相對于波長很小時(shí) ?？梢酝ㄟ^在螺旋終端

6、接阻性負(fù)載的方式加以改善 。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載阻值為120Q時(shí)，天線有較好的性能，天線厚度可減薄至1 7mm。集成的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。2 測試結(jié)果用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的駐波進(jìn)行了測量，其結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在11GHz24GHz頻帶內(nèi)，天線的駐波小于2。在微波暗室中，用自制的天線遠(yuǎn)場自動測量系統(tǒng)對天線的軸比和方向圖進(jìn)行了測量。圖5為軸比測試曲線，可以看出，由于饋電網(wǎng)絡(luò)自身的窄帶特性，大線的圓極化帶寬小于其阻抗帶寬，但仍然達(dá)到了在I3GHz21 GHz頻帶內(nèi)軸比小于3dB的特性。圖6給出了天線在13GHz、17GHz、21 GHz處的測試方向圖，可見方向圖對稱性較好，但由于反射地板尺寸較小，方向圖后瓣較大。3 結(jié) 論針對平面螺旋天線設(shè)計(jì)中所存在的不足，提出一