超寬帶低剖面平面螺旋天線的研究與設(shè)計(jì)

笪策

摘 要：平面螺旋天線具有頻帶較寬、體積較小、圓極化性能較好等特點(diǎn)，在電子對(duì)抗中應(yīng)用廣泛。通過(guò)研究影響阿基米德平面螺旋天線帶寬和剖面的主要因素，設(shè)計(jì)平面螺旋輻射器、微帶饋電巴倫以及反射背腔，從而設(shè)計(jì)了在2～40 GHz頻帶范圍內(nèi)具有良好特性的平面螺旋天線。文章通過(guò)調(diào)整輻射器阻抗降低了巴倫長(zhǎng)度，從而降低了天線剖面厚度，并且通過(guò)設(shè)計(jì)金屬背腔增強(qiáng)了前向增益。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)天線的頻帶較寬，并且圓極化特性良好。

關(guān)鍵詞：平面螺旋天線；寬帶；低剖面；巴倫；背腔

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，幾乎全部的現(xiàn)代化武器系統(tǒng)都依賴(lài)于電子系統(tǒng)的技術(shù)效能。由于在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，電子對(duì)抗的地位也變得越來(lái)越重要[1-3]。

雖然傳統(tǒng)的干擾和抗干擾方式已有相應(yīng)的措施與之抗衡，但是隨著新體制雷達(dá)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，電子對(duì)抗出現(xiàn)了更大的挑戰(zhàn)。電子對(duì)抗技術(shù)要求具有對(duì)低載獲雷達(dá)的信息截獲能力以及對(duì)寬帶大功率雷達(dá)的干擾能力，由于系統(tǒng)帶寬的不斷提高，這就要求收發(fā)天線的帶寬必須不斷展寬來(lái)適應(yīng)現(xiàn)代雷達(dá)的高分辨率[4]。

非頻變天線的阻抗特性與方向圖不會(huì)隨頻率變化，因此非頻變天線是一種超寬帶天線，在電子對(duì)抗中具有廣泛應(yīng)用[5]。非頻變天線基于拉姆塞原理，其形狀只由角度決定，尺寸可以為無(wú)限長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，天線的尺寸是有限的，這決定了電流應(yīng)隨著與輸入端距離的增大而減小，并在電流極小的位置截?cái)嗵炀€。平面螺旋天線是一種非頻變天線，因此具有超寬帶特性。

1 天線的設(shè)計(jì)

1.1 阿基米德螺旋天線

雙臂阿基米德螺旋天線是由兩條旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的螺旋線組成，螺旋線在極坐標(biāo)中的方程如下：

r0表示起始半徑，a表示增長(zhǎng)率，φ表示角度。在遠(yuǎn)離原點(diǎn)的線段上，密繞的阿基米德螺旋線與密繞的等角螺旋線相逼近。阿基米德螺旋天線并沒(méi)有嚴(yán)格符合拉姆塞原理，因此不是嚴(yán)格的頻率無(wú)關(guān)天線，但是其同樣具有非常寬的頻帶，這是因?yàn)榘⒒椎侣菪炀€具有一種“輻射帶”理論。在周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)的圓環(huán)帶，在垂直于螺旋平面的方向上，雙臂的電場(chǎng)相互加強(qiáng)，形成輻射。

這一半徑區(qū)域就是該頻點(diǎn)的有效輻射帶區(qū)域，隨著頻率的變化，有效輻射帶也在不斷移動(dòng)，發(fā)生自比例效應(yīng)，具有非頻變特性[6-7]。且在有效輻射帶相垂直的區(qū)域處，電場(chǎng)方向相互正交，因此圓極化特性良好[8-9]。

在雙臂阿基米德螺旋天線中，如果螺旋臂線寬等于兩螺旋臂的縫隙寬度，則稱(chēng)該結(jié)構(gòu)為自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的螺旋天線的輸入阻抗理論值為188.5 Ω，實(shí)際中由于有限長(zhǎng)度和有限厚度的原因，輸入阻抗約為120～140 Ω。

1.2 天線輻射器設(shè)計(jì)

本文使用CST Microwave-studio軟件建立阿基米德螺旋天線輻射器模型并仿真，輻射器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該輻射器的工作頻率范圍是2～40 GHz，由計(jì)算可得天線外徑R=35 mm，內(nèi)徑r=0.8 mm。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，最后選擇天線螺旋增長(zhǎng)率a=0.3，螺旋圈數(shù)n=20。為了縮短饋電巴倫的長(zhǎng)度，采用加寬螺旋臂線寬的方式減小輻射器阻抗，經(jīng)仿真優(yōu)化螺旋臂寬w=0.6 mm。同時(shí)逐漸切削螺旋臂的末端，以減小螺旋臂末端的反射電流，從而形成行波電流。

1.3 饋電巴倫設(shè)計(jì)

天線作為無(wú)源器件，需要饋電網(wǎng)絡(luò)的支撐。平面螺旋天線是平衡式系統(tǒng)，而通常的微波傳輸同軸線是一種超寬帶、非平衡傳輸線，如果將其直接連接會(huì)影響天線的輻射，因此需要進(jìn)行平衡—非平衡轉(zhuǎn)換的巴倫。所設(shè)計(jì)的天線輻射器實(shí)際輸入阻抗為105 Ω，與常用的50 Ω同軸線連接時(shí)，需要進(jìn)行阻抗匹配，而這種匹配需要滿(mǎn)足平面螺旋天線的寬帶要求，這就需要能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶匹配和平衡非平衡轉(zhuǎn)換的寬帶饋電巴倫[10-11]。

根據(jù)以上要求，本文采用微帶線指數(shù)過(guò)渡到平行雙線的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)平衡—非平衡饋電方式的轉(zhuǎn)換。再通過(guò)調(diào)整巴倫兩端金屬線寬度，實(shí)現(xiàn)同軸饋電線和輻射器之間的阻抗匹配。巴倫的結(jié)構(gòu)如圖2所示，底部為微帶線，與同軸饋電線相連，其微帶線寬為1.52 mm，接地板線寬為5 mm，特征阻抗為50 Ω；頂部為平行雙線，線寬為0.8 mm，特征阻抗為105 Ω，兩面分別與天線兩臂相連。經(jīng)大量仿真優(yōu)化，在保證工作頻率2～40 GHz范圍具有較小的回波損耗的同時(shí)，大大縮短了巴倫長(zhǎng)度，從而減小了天線的剖面厚度，其中，巴倫長(zhǎng)度為10 mm。

1.4 背腔設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)天線的單向輻射，一般有兩種方法：（1）在輻射器的背面添加吸波材料，由于吸波材料將吸收的能量全部損耗掉，輻射效率比較低。（2）在輻射器背面添加反射背腔，設(shè)計(jì)良好的反射背腔可以提高前向的增益，達(dá)到高效率輻射。本文采用添加反射背腔的方式來(lái)設(shè)計(jì)天線。常用的反射腔為平底腔，其深度約為波長(zhǎng)的0.25倍，直徑與輻射器基板外徑相同[12-14]。當(dāng)反射腔與天線間距大于1/4波長(zhǎng)時(shí)，方向圖會(huì)出現(xiàn)波瓣分裂，當(dāng)間距小于1/12波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致增益小于不加背腔時(shí)的增益。如果反射腔為長(zhǎng)度固定的平底腔，螺旋天線的非頻變特性將會(huì)改變。本文設(shè)計(jì)了一種異形金屬反射腔，其中金屬腔底面外層為圓環(huán)狀，內(nèi)層為空心金屬圓臺(tái)，各部分使用介質(zhì)基板相連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該異形結(jié)構(gòu)圓臺(tái)既能提升高頻段的增益，也能使低頻段保持較高的增益。

2 仿真結(jié)果分析

在巴倫底部建立50 Ω同軸線模型進(jìn)行饋電，經(jīng)仿真可得回波損耗如圖4所示，天線在2～40 GHz內(nèi)回波損耗均小于﹣10 dB，在全頻段內(nèi)阻抗匹配良好。

天線的增益特性、軸比特性和方向圖特性仿真結(jié)果如圖5—7所示。從圖中可看出，該天線加背腔后在6～40 GHz范圍內(nèi)具有較高的增益，在低頻段由于背腔與天線面間距過(guò)小影響了天線增益，這是因?yàn)闋奚皖l段增益可以獲得更低的剖面厚度。在2～35 GHz內(nèi)軸比小于3 dB，圓極化性能良好，在高頻段圓臺(tái)提高了天線的增益，但是影響了天線的軸比性能，不過(guò)天線仍具有較好的圓極化效果。

仿真結(jié)果表明，該天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬較寬，并能夠在2～40 GHz極寬的帶寬范圍內(nèi)具有良好的性能，相對(duì)帶寬為20∶1。同時(shí)這一天線設(shè)計(jì)極大地降低了天線的剖面厚度，由一般平面螺旋天線30 mm的剖面厚度降低為10 mm，厚度僅為前者的33%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種超寬帶低剖面平面螺旋天線，通過(guò)仿真結(jié)果可知，在2～40 GHz頻帶上該天線輻射特性良好，并且該天線的剖面厚度降為常規(guī)厚度的33%，僅有10 mm。此外，本文還進(jìn)行了微帶線指數(shù)漸變到平行雙線的非平衡—平衡阻抗轉(zhuǎn)換巴倫和異形反射腔的設(shè)計(jì)，使天線保持了寬頻帶特性以及高增益特性。

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