寬帶平面螺旋天線的研究與設(shè)計(jì)

1．1 天線輻射元的設(shè)計(jì)
    阿基米德螺旋天線是一種自互補(bǔ)天線，即天線臂寬與間隔相等。對(duì)于自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的天線，由巴俾涅原理知其輸入阻抗為60πΩ。如微帶襯底介電常數(shù)為εr，則輸入阻抗選擇普通基板εr=4．6，基片厚度h=1 mm，這樣天線的輸入阻抗約為Z0=112．6Ω。天線外圈周長(zhǎng)必須大于1．25倍λmax，饋電點(diǎn)間距必須小于λmin／4。
1．2 背腔設(shè)計(jì)
    要獲得單向輻射，需要用到反射腔，也可以在背腔內(nèi)填充吸波材料，考慮到增益，本文腔體內(nèi)部不填充吸波材料，而直接采用λ／4扼流套作為背腔。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，在同軸線外部加上一個(gè)長(zhǎng)度為λ／4的金屬套，底端與同軸線外皮短接，該金屬套與同軸線的外導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)特性阻抗為Zc的新同軸線L，且終端短路。易知，終端短路的λ／4長(zhǎng)的同軸線有開路效應(yīng)即從L頂端向下看去，特性阻抗為Zc的同軸線的輸入阻抗為無(wú)窮大，也就是說(shuō)如果在該段傳輸線上有電壓電流分布，則最頂端為電壓腹點(diǎn)，電流節(jié)點(diǎn)，從而這種結(jié)構(gòu)有一定的扼流作用。

1．3 輸入阻抗匹配設(shè)計(jì)
    由阿基米德螺旋天線的輻射機(jī)理可知，要保證輻射為軸向輻射，輻射場(chǎng)為圓極化，必須要求等輻反相對(duì)其饋電，即要求平衡饋電，而同軸線是不平衡饋電系統(tǒng)，所以應(yīng)在饋電端與天線之間加一個(gè)不平衡至平衡的變換器，即巴倫。寬頻帶的同軸線到微帶線的轉(zhuǎn)換巴倫通常采用錐削巴倫，駐波帶寬可以達(dá)到8倍頻程以上，但是這種巴倫不易于加工，并且在巴倫變換段出現(xiàn)了射頻泄漏，會(huì)影響天線的方向圖，本文采用一種窄帶的匹配，采用了空心的同軸變換段代替巴倫，這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)了饋電不平衡等影響，但是加工實(shí)驗(yàn)方便，前期設(shè)計(jì)時(shí)可以采用。
    本文針對(duì)空心同軸段長(zhǎng)度及基板厚度做過(guò)實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試對(duì)天線輸入駐波的影響?？招耐S段取6～10 mm，介質(zhì)基板厚度取O．5～1．5 mm，發(fā)現(xiàn)在空心段長(zhǎng)為8 mm，基板厚為O．5 mm時(shí)，駐波特性較好，駐波測(cè)試曲線如圖3所示。在1～8 GHz的寬頻帶內(nèi)駐波都小于2，證明這種窄帶匹配還具有不錯(cuò)的效果。

1．4 測(cè)試結(jié)果
    由于阿基米德螺旋天線是螺旋天線，需要測(cè)試其圓極化性能。方向圖測(cè)試時(shí)要分幾種情況分別測(cè)量，即在發(fā)射天線水平或垂直極化時(shí)，將螺旋天線旋轉(zhuǎn)一定測(cè)試角度(如45°)，然后再由測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到天線圓極化特性，圖4為螺旋天線水平放置，發(fā)射天線垂直極化時(shí)測(cè)得的兩個(gè)頻率對(duì)應(yīng)方向圖。天線在同樣條件下放置時(shí)的增益曲線如圖5所示。由天線各方向放置時(shí)測(cè)得的方向圖曲線得到天線的軸比如圖6所示。

2 結(jié) 語(yǔ)
    本文仿真并設(shè)計(jì)了帶寬為2～7 GHz的平面雙臂阿基米德螺旋天線，給出的測(cè)試結(jié)果表明這類天線駐波帶寬(VSWR<2)可以達(dá)到8倍頻程以上；方向圖在低端3 dB寬度(半功率寬度)較寬，隨頻率的增加逐漸變窄；設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)增益在2 dB左右；天線軸比在3 dB以內(nèi)，且越到高端，軸比越大，圓極化性能越差。