一種超寬帶平面螺旋天線的設(shè)計與研究

摘要：平面螺旋天線具有寬頻帶、小體積、易共形等特性，因此廣泛應(yīng)用在電子對抗領(lǐng)域。文章設(shè)計了一種低剖面高增益的超寬帶平面螺旋天線，該天線能夠工作在1-40GHz的頻段內(nèi)。用一種經(jīng)指數(shù)切削的同軸饋電巴倫對天線進(jìn)行饋電，滿足了天線的饋電平衡和阻抗匹配，同時通過在天線背面加載異型反射腔提高天線的正向增益。經(jīng)一系列的仿真優(yōu)化，其結(jié)果表明天線具有良好的寬頻帶特性、較大的功率容量和較好的圓極化特性。

關(guān)鍵詞：平面螺旋天線;寬帶;巴倫;反射腔

現(xiàn)如今電子信息技術(shù)已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展，電子技術(shù)也已廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中，幾乎所有的現(xiàn)代化武器系統(tǒng)都已實現(xiàn)了信息化。在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境下，電子對抗技術(shù)也就變得更加重要[1-3]。

在上世紀(jì)50年代，Rumsey等人提出了頻率無關(guān)天線的概念，這類天線的電性能參數(shù)在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)保持不變或變化很小。頻率無關(guān)天線也稱為非頻變天線，根據(jù)Rumsey原理，其結(jié)構(gòu)只與角度有關(guān)，這也表示天線的尺寸可以無限大[4-6]。實際運用中，因尺寸限制往往要求天線在某點處截斷時，天線性能不受影響或可忽略不計，即需滿足截斷原則。平面螺旋天線作為一類經(jīng)典的非頻變天線，在電子對抗技術(shù)已得到了廣泛的使用，如預(yù)警機的雷達(dá)[7]。

1平面螺旋天線設(shè)計

本文設(shè)計的是雙臂阿基米德螺旋天線，其結(jié)構(gòu)在極坐標(biāo)下可用如下方程表示：

式中r0表示天線的起始半徑;α為增長率;為角度;為起始方位角，本文中分別設(shè)置為0和π。事實上阿基米德螺旋天線并不完全滿足Rumsey原理，不是一個真正的非頻變天線。下面根據(jù)阿基米德螺旋天線的輻射機理，解釋其為什么擁有很寬的頻帶。阿基米德螺旋天線存在一個輻射激活區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)場的輻射主要依賴于這一激活區(qū)，激活區(qū)外所產(chǎn)生的場幾乎對遠(yuǎn)區(qū)輻射場沒有影響。在周長為一個波長的區(qū)域附近，兩臂上的電流幾乎同向所產(chǎn)生的輻射場在螺旋平面法向方向上相互疊加產(chǎn)生強輻射，這一區(qū)域就是輻射激活區(qū)。隨著波長（也就是頻率）的變化，激活區(qū)的位置也在不斷變化，這使得阿基米德螺旋天線具有非頻變特性[8]。且由于天線的對稱結(jié)構(gòu)使得電流在空間的分布幾乎正交且大小幾乎相等，所以天線輻射場為圓極化[9]。

阿基米德螺旋天線的輸入阻抗與設(shè)計的金屬線寬有關(guān)。當(dāng)金屬線寬等于螺旋縫隙寬度時，天線呈互補結(jié)構(gòu)，按照Babinet原理其理論輸入阻抗應(yīng)為60πΩ，實際測得阻抗值約為120～140Ω。

一般情況下天線外徑R和內(nèi)徑r0應(yīng)滿足如下要求

本文在CST中建立的模型如下圖所示

設(shè)置為0.2mm，R設(shè)置為63mm。如圖所示在外圍對阿基米德螺旋天線進(jìn)行了正弦加載，正弦加載可有效增加天線的電長度，從而減小天線的尺寸，正弦加載的幅值為0.4[10]。在天線末端進(jìn)行了切削處理，可有效減小末端的反射電流。經(jīng)過一系列的仿真優(yōu)化，最終螺旋增長率a取0.48，金屬線寬為0.9mm。

2寬頻帶饋電巴倫

阿基米德螺旋天線為平衡結(jié)構(gòu)，所需的饋電結(jié)構(gòu)也為平衡結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的同軸線饋電和微帶線饋電均為非平衡結(jié)構(gòu)饋電，因此需要非平衡-平衡的轉(zhuǎn)換裝置[11-12]。文中設(shè)計阿基米德螺旋線的輸入阻抗為108Ω，為與50Ω 的同軸激勵匹配需要阻抗變換裝置，且該裝置需滿足阿基米德螺旋天線的寬帶要求。漸變線阻抗變換器可同時滿足阻抗變換與平衡轉(zhuǎn)換，如圖2 所示為同軸切削巴倫

如圖所示對同軸饋電的外導(dǎo)體進(jìn)行指數(shù)切割使得末端變成內(nèi)導(dǎo)體相同的結(jié)構(gòu)，在末端形成平行雙線，實現(xiàn)非平衡-平衡的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整末端的軸間距或半徑大小調(diào)整末端的阻抗以實現(xiàn)與天線的阻抗匹配。漸變線結(jié)構(gòu)意味著特征阻抗沿長度是連續(xù)變化的，存在無限多的階梯阻抗變換器，即擁有良好的寬頻帶性能。本文所設(shè)計的同軸切削饋電巴倫，下端與同軸饋電相連，特征阻抗為50Ω，內(nèi)導(dǎo)體半徑為0.25mm，外導(dǎo)體內(nèi)徑為0.58mm，外徑為1.2mm。上端口分別與螺旋天線兩臂相連，末端外導(dǎo)體半徑為0.25mm，軸間距為0.7mm。通常巴倫的長度設(shè)計為最大工作波長的一半，為減小天線整體的剖面高度，進(jìn)行一系列的仿真優(yōu)化，最終設(shè)計同軸切削巴倫長為44mm，在1-40GHz的工作頻帶內(nèi)的回波損耗均滿足要求。

3反射腔設(shè)計

平面阿基米德螺旋天線具有雙向輻射特性，實際運用中往往只需要單向輻射，通常采用如下兩種方式來實現(xiàn)單向輻射：（1）在天線背面填充吸波材料，通過吸波材料吸收天線的背向輻射。（2）在天線背面添加金屬反射腔，通過金屬腔的反射提高天線的正向增益。采用方法一時，天線背向輻射的能量

被吸收以熱的形式損耗，輻射效率較低。本文采用方法二來實現(xiàn)單向輻射。通常天線的背腔設(shè)計為平底腔，腔體高度為工作波長的四分之一[13-14]。由于阿基米德螺旋天線為寬頻帶天線，工作波長相差很大，若采用常用的平底腔結(jié)構(gòu)，天線的寬頻帶特性無法保證，背向的反射波可能與正向波相位相差π（或π的奇數(shù)倍）產(chǎn)生相消。本文設(shè)計了一種錐形金屬反射腔，使天線的輻射激活區(qū)與金屬反射面的距離約為λ/4，結(jié)構(gòu)如圖3所示

4仿真結(jié)果分析

將同軸線底部設(shè)置為波導(dǎo)端口，對天線模型進(jìn)行仿真，其相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4-8所示。

由圖5可以得出天線在1-40GHz的頻帶范圍內(nèi)阻抗匹配良好，大部分頻點的回波損耗低于-15dB。由圖6和圖7可知加載背腔后，天線在6-40GHz的增益約提高3dBi，在低頻處受天線剖面高度限制不存在反射面，增益與未加載反射腔差異不大;加載背腔后天線的圓極化性能確實受到影響，但在大多數(shù)頻點上軸比小于3dB，表明天線依然具有良好的圓極化特性。由圖8也可看出加載背腔后天線后向輻射減少，正向輻射增多。圖9為頻率為40GHz輸入功率為200w時天線的溫度分布圖，可以看出溫度最高為393K位于同軸巴倫內(nèi)導(dǎo)體處，輻射器部分的溫度低于介質(zhì)可承受溫度，表明天線可以承載較大的功率，有較大的功率容量。

5結(jié)束語

文中設(shè)計一種工作頻帶為1-40GHz的平面阿基米德螺旋天線，仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的輻射器和寬帶饋電巴倫都有良好的寬頻帶性能和圓極化性能，加載背腔后整個頻帶都具有較高的增益，且天線具有較大的功率容量。

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作者簡介：

曾嘉誠（1995—），男，江西撫州人，碩士研究生;研究方向：寬帶天線。