寬帶平面螺旋天線的研究與設計

1．1 天線輻射元的設計
??? 阿基米德螺旋天線是一種自互補天線，即天線臂寬與間隔相等。對于自互補結構的天線，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。天線外圈周長必須大于1．25倍λmax，饋電點間距必須小于λmin／4。
1．2 背腔設計
??? 要獲得單向輻射，需要用到反射腔，也可以在背腔內填充吸波材料，考慮到增益，本文腔體內部不填充吸波材料，而直接采用λ／4扼流套作為背腔。其基本結構如圖2所示，在同軸線外部加上一個長度為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體構成一個特性阻抗為Zc的新同軸線L，且終端短路。易知，終端短路的λ／4長的同軸線有開路效應即從L頂端向下看去，特性阻抗為Zc的同軸線的輸入阻抗為無窮大，也就是說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，電流節點，從而這種結構有一定的扼流作用。

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1．3 輸入阻抗匹配設計

由阿基米德螺旋天線的輻射機理可知，要保證輻射為軸向輻射，輻射場為圓極化，必須要求等輻反相對其饋電，即要求平衡饋電，而同軸線是不平衡饋電系統，所以應在饋電端與天線之間加一個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換巴倫通常采用錐削巴倫，駐波帶寬可以達到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了射頻泄漏，會影響天線的方向圖，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，這種結構帶來了饋電不平衡等影響，但是加工實驗方便，前期設計時可以采用。
??? 本文針對空心同軸段長度及基板厚度做過實驗，分別測試對天線輸入駐波的影響。空心同軸段取6～10 mm，介質基板厚度取O．5～1．5 mm，發現在空心段長為8 mm，基板厚為O．5 mm時，駐波特性較好，駐波測試曲線如圖3所示。在1～8 GHz的寬頻帶內駐波都小于2，證明這種窄帶匹配還具有不錯的效果。

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1．4 測試結果
??? 由于阿基米德螺旋天線是螺旋天線，需要測試其圓極化性能。方向圖測試時要分幾種情況分別測量，即在發射天線水平或垂直極化時，將螺旋天線旋轉一定測試角度(如45°)，然后再由測試數據計算得到天線圓極化特性，圖4為螺旋天線水平放置，發射天線垂直極化時測得的兩個頻率對應方向圖。天線在同樣條件下放置時的增益曲線如圖5所示。由天線各方向放置時測得的方向圖曲線得到天線的軸比如圖6所示。

2 結 語
??? 本文仿真并設計了帶寬為2～7 GHz的平面雙臂阿基米德螺旋天線，給出的測試結果表明這類天線駐波帶寬(VSWR<2)可以達到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；設計頻帶內增益在2 dB左右；天線軸比在3 dB以內，且越到高端，軸比越大，圓極化性能越差。