縫隙阿基米德螺旋天線及其小型化設(shè)計(jì)

1、縫隙阿基米德螺旋天線及其小型化設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了縫隙形式的平面阿基米德螺旋天線并與普通平面阿基米德螺旋天線進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上提出了一種將縫隙設(shè)計(jì)成曲折線的形式，末端采用電阻加載，采用直接同軸饋電的方式，淺背腔的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到將平面螺旋天線小型化的目的。制作的小型化天線直徑大小只有75mm厚度12mm，在0.9-4GHz的頻帶范圍內(nèi)有良好的阻抗特性和增益特性，滿足工程使用的要求。關(guān)鍵詞 阿基米德螺旋天線、縫隙螺旋天線、小型化、電阻加載、曲折臂 MiniaturizationofSlotPlanar ArchimedeanSpiralAntenna In this paper， slot p

2、lanar Archimedean spiral antenna and the contrast between it and the commonplanar Archimedean spiral are introduced. On this condition, the miniaturization of slot planar Archimedean spiral antenna realized by designing the slot line in the form of meander line,discrete resistance loading in the end

3、 of antenna, a simple feed and shallow reflecting cavities. We get an antenna sample with a diameter of 75mm and a thickness of 12mm,the antenna which is qualified to the engineering applications ,keeps good characteristics of impedance match and gain.Key words:planar Archimedean spiral antenna，slot

4、 planarspiral antenna，miniaturization，resistance loading，meander line1、引言平面螺旋天線1因其低剖面、圓極化、寬頻帶、易于共型等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。平面螺旋天線主要有等角螺旋天線和阿基米德螺旋天線兩種形式。阿基米德螺旋天線是一種較為常見的平面螺旋天線，它的曲線方程為：（1）其中，為曲線上任意一點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，為方位角，為起始角，為螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，為常數(shù)，稱為螺旋增長率。通常采用印刷技術(shù)制造這種天線，并且使金屬螺線的寬度等于兩條螺線間的距離，以便形成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)，這樣有利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配?？p隙阿基米德螺旋天

5、線具有和普通阿基米德螺旋天線相類似的性質(zhì)，但由于其更易于加載和更低的剖面在小型化方面難度低于普通的阿基米德螺旋天線。文章2給出了一種縫隙天線的設(shè)計(jì)，有效的解決了低剖面的問題，并改進(jìn)了了平面螺旋天線的饋電方式。文章3提出了一種利用將平面阿基米德螺旋天線的雙臂設(shè)計(jì)成曲折線的形式來進(jìn)一步將平面螺旋天線小型化，本文在上述文章的基礎(chǔ)上對(duì)縫隙平面螺旋天線進(jìn)行了研究。2、天線的設(shè)計(jì)、仿真與制作螺旋天線可以分為以下幾個(gè)部分：螺旋天線輻射面、饋電及巴倫、背腔。大多數(shù)情況下為了獲得良好的低頻特性還需要對(duì)天線進(jìn)行加載。2.1天線輻射面的制作縫隙阿基米德螺旋天線的輻射面同樣可以用印刷的技術(shù)制造，在整塊鋪銅的電路板上，

6、蝕刻出兩條互繞且中心相連的阿基米德螺旋槽線?？p隙螺旋天線的輻射面主要的參數(shù)有輻射面的直徑，螺旋線的螺旋增長率，縫隙的寬度。同普通的平面螺旋天線類似，輻射面的直徑越大，天線的低頻性能越好，當(dāng)螺線直徑小于時(shí)，增益不大，隨著直徑的增加，增益逐漸加大，最后到達(dá)某一上限。螺旋增長率越小，螺旋線的曲率半徑越小。在螺旋線外徑相同的條件下，螺旋線總長度大，則終端效應(yīng)小，頻帶內(nèi)的特性也較好1。天線輻射面的縫隙寬度與天線的輸入阻抗密切相關(guān)，是影響天線駐波的重要因素。圖1 普通縫隙天線的實(shí)物圖Figure 1 SlotPlanar Archimedean Spiral Antenna如圖1所示我們?nèi)】p隙螺旋天線的螺

7、旋增長率為1，圈數(shù)為5圈。圖2是在其他條件相同情況下分別取縫隙寬度為0.3mm、0.5mm、0.7mm進(jìn)行仿真的結(jié)果，仿真結(jié)果表明縫隙寬度越細(xì)，天線的輸入阻抗越小。為了將饋電簡(jiǎn)化將輸入阻抗設(shè)計(jì)在50左右，最終選擇0.3mm的縫隙寬度，75mm直徑來設(shè)計(jì)天線面。圖2 不同縫隙寬度輸入阻抗對(duì)比圖Figure 2 the contrast of different slot wide 2.2天線的末端加載為了擴(kuò)展天線的低頻特性我們需要對(duì)天線進(jìn)行各種形式的加載，常見的有將阿基米德螺旋天線的最外幾圈設(shè)計(jì)成曲折臂的形式，文章3提出了幾種類型的曲折臂并進(jìn)行了分析。對(duì)阿基米德螺旋天線末端進(jìn)行電阻加載,文章4對(duì)

8、普通的阿基米德螺旋天線進(jìn)行了研究，這種進(jìn)行電阻加載的方式在縫隙螺旋天線上將變的更為方便。我們首先對(duì)天線的末端加載電阻進(jìn)行了研究，對(duì)天線加載電阻的情況與未加載電阻的天線進(jìn)行了對(duì)比。圖3是兩個(gè)相同天線一個(gè)天線未加載電阻和一個(gè)天線電阻由低到高分別加載到 4.3時(shí)的反射系數(shù)對(duì)比圖，未加載電阻的天線大約在1.2G時(shí)反射系數(shù)低于-10dB，而加載了電阻的天線在0.75G時(shí)反射系數(shù)就已經(jīng)低于-10dB.實(shí)驗(yàn)表明電阻的加載可以有效的降低天線低頻段的駐波。圖3天線電阻加載反射系數(shù)對(duì)比圖Figre3 the contrast of reflectance with resistance loading or no

9、t 除了對(duì)天線的末端進(jìn)行電阻加載之外，我們還將縫隙螺旋天線的最外幾圈的螺旋線進(jìn)行曲折57，增加天線的電長度，以實(shí)現(xiàn)我們小型化的目的。圖4是天線未加載曲折臂和加載曲折臂的反射系數(shù)對(duì)比，未加載的天線大約在1.2G時(shí)反射系數(shù)低于-10dB，加載的曲折臂天線大約在1.0G時(shí)低于-10dB，由于加載造成的天線的阻抗變化，在低頻段略有起伏。實(shí)驗(yàn)表明正弦形狀加載的曲折臂天線在頻率低端明顯優(yōu)于同等尺寸的普通縫隙螺旋天線。圖4天線曲折臂加載反射系數(shù)對(duì)比圖Figure 4 the contrast of reflectance withmeander line or not2.3天線的實(shí)物測(cè)試最終制作的天線實(shí)物如

10、圖10所示我們同時(shí)進(jìn)行了曲折臂加載和電阻加載圖5曲折臂縫隙螺旋天線實(shí)物圖Figure 5 practicality of SlotPlanar Spiral Antenna 實(shí)測(cè)天線的反射系數(shù)如圖11所示在0.9-4G的頻帶范圍內(nèi)反射系數(shù)均小于-10dB，駐波滿足工程使用的要求。圖6實(shí)測(cè)天線的反射系數(shù)Figure 6 the measured reflectance實(shí)測(cè)天線的增益(低頻部分頻點(diǎn)有問題)如圖12所示低頻段由于尺寸的限制增益值不可能很高，天線的增益值在0.9-4G整個(gè)頻帶內(nèi)大于-12dB，表明天線可以在整個(gè)頻段內(nèi)正常工作。圖70.94GHz縫隙螺旋天線增益曲線Figure 7 th

11、e measured gain實(shí)測(cè)天線的方向圖在0.9G、1.5G、2.5G、4G時(shí)如圖13所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明天線在方向圖在整個(gè)頻帶內(nèi)到的范圍內(nèi)均能保持良好的特性滿足使用要求。圖8實(shí)測(cè)天線的方向圖Figure 8 the measured pattern4、結(jié)論本文對(duì)縫隙阿基米德螺旋天線的小型化方面進(jìn)了研究、仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了末端電阻加載和將最外圈進(jìn)行曲折臂化設(shè)計(jì)對(duì)縫隙螺旋天線的小型化有較好的效果，最后設(shè)計(jì)出了直徑75mm的曲折臂縫隙阿基米德螺旋天線，并對(duì)其駐波、增益、方向圖等方面進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿足工程的使用要求。參考文獻(xiàn)1 林昌祿. 天線工程手冊(cè)M.北京：電子工業(yè)出版社, 20

12、02.2倪文俊, 蔣凡潔. 寬波段背腔槽隙螺旋天線的設(shè)計(jì)C.全國天線年會(huì)論文, 中國, 合肥, 2007. 747-7503 宋朝暉,李紅梅,楊漢瑛,邱景輝. 曲折臂形式的阿基米德螺旋天線小型化研究 J. 微波學(xué)報(bào), 2009, 第25卷(第2期)。4龍小專，袁飛，一種小型平面螺旋天線C，2009全國天線年會(huì)論文集（上）,2009.5T. Ozdemir, J.L. Volakis and M.W. Nurnberger, “Analysis of Thin Multioctave Cavity-backed Slot SpiralAntennas,” IEE Proceedings-Microwave, Antennas and Propagation, Vol.146, pp. 447-454, December1999.6M. Nurnberger and J.L. Volakis, " New Termination for Ultra Wide-Band Slot Spirals," IEEE Trans.Antenna Propagat.,