正弦函数加载阿基米德螺旋天线的设计

徐海鹏,申强强,承浩宇

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

正弦函数加载阿基米德螺旋天线的设计

徐海鹏,申强强,承浩宇

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

阿基米德螺旋天线是一种超宽频带天线,广泛应用于通信导航等领域。采用正弦函数加载方式对传统阿基米德螺旋天线进行了小型化设计。仿真结果表明,天线口面面积减小了30%,天线仍具有较好的驻波、增益等特性。

螺旋天线;正弦函数;小型化

0 引 言

阿基米德螺旋天线是一种频率无关天线[1-3],其有效辐射区随着频率而变化。因此,在宽频带范围内天线的输入阻抗变化小。该天线双向辐射电磁波,在整个频带内波宽很宽,波束宽度一般介于50°～110°。理论上,阿基米德螺旋天线辐射圆极化波,但由于幅度、相位误差,实际天线的工作状态为椭圆极化。随着现代技术的发展,对天线的尺寸限制越来越高,希望天线的尺寸尽可能小,同时天线仍然能实现较好的电性能。阿基米德螺旋天线的直径正比于工作频带的下限,目前主要用于实现天线小型化的方法是将天线的两臂加载曲线函数[4-5],以增加天线在低频端的实际绕行的电长度。

本文设计了一种正弦函数加载的曲折臂阿基米德螺旋天线,天线的工作频带达到5个倍频程。文中应用HFSS软件仿真分析,并对比了传统阿基米德螺旋辐射器及正弦函数加载的阿基米德螺旋辐射器的电性能,设计了指数渐变的宽频带平衡结构微带巴伦,给出了整体的小型化的阿基米德螺旋天线仿真结果。仿真结果表明,虽然天线口面面积减小了30%,天线仍然具有较好的电性能。

1 阿基米德螺旋天线原理

阿基米德螺旋天线的两条螺旋臂从内向外按阿基米德螺旋线结构展开,同时使螺旋臂的宽度与两条螺旋臂之间的缝隙宽度相等,则能形成自补结构。理论上当对两条螺旋臂等幅、反相馈电时,天线能够在很宽的频带范围内辐射圆极化电磁波。

阿基米德螺旋天线的主要辐射区位于螺旋线周长约1个波长的位置,因此其下限工作频率决定螺旋线外径。一般应使其周长2πr≥1.25λmax,λmax是螺旋天线下限工作频率对应的波长。螺旋线内径对天线的输入阻抗和上限工作频率有很大的影响,一般应取内径2r0≤λmin/4,λmin是螺旋天线上限工作频率对应的波长。

螺旋增长率也是影响阿基米德螺旋天线的关键参数。当螺旋增长率较小时,螺旋线总长度长,终端效应小,此时天线驻波特性好。但是,螺旋增长率不能过小,否则过多的螺旋绕线会增加传输线的损耗,降低低频段的辐射能量。

2 阿基米德螺旋辐射器

2.1 传统螺旋辐射器

根据传统阿基米德螺旋天线的原理,设计了一个直径约300 mm的自补结构螺旋辐射器,并利用电磁仿真软件优化设计螺旋辐射器的内径、线宽、绕线圈数等参数。图1为传统螺旋辐射器的驻波曲线,图2为传统螺旋辐射器的方向图曲线。

图1 传统螺旋辐射器驻波

图2 传统螺旋辐射器方向图

2.2 正弦函数加载螺旋辐射器

正弦函数加载螺旋辐射器是在传统螺旋辐射器两臂中对称加入正弦函数asin(nφ),其中a为正弦函数的振幅,n为一周螺旋线对应加载的正弦函数个数。由于采用对称加载方式,因此螺旋臂上相邻点的相位不变,对天线方向图的影响小。

正弦函数加载螺旋辐射器增加了天线的电长度,同时也带来了损耗。因为螺旋辐射器尺寸由工作频率的下限决定,因此螺旋辐射器的小型化针对螺旋辐射器的低频段部分,而螺旋辐射器的初始部分应采用传统阿基米德螺旋辐射器结构。

图3为正弦函数加载螺旋辐射器,初始部分为传统阿基米德螺旋结构,外部为正弦函数加载结构。仿真优化后的正弦函数加载螺旋辐射器约250 mm。图4为正弦函数加载螺旋辐射器的驻波曲线,图5为正弦函数加载螺旋辐射器的方向图曲线。

图3 正弦函数加载螺旋辐射器

图4 正弦函数加载螺旋辐射器驻波

图5 正弦函数加载螺旋辐射器方向图

3 宽带巴伦设计

螺旋辐射器是平衡对称结构,而同轴连接器为非平衡结构,因此须采用不平衡到平衡的过渡宽带巴伦。本文采用指数渐变微带平行双线实现不平衡到平衡的过渡,如图6所示。微带巴伦同轴端阻抗为50 Ω,平衡馈电端阻抗为110 Ω,指数渐变微带巴伦的S参数仿真结果如图7所示。

图6 指数渐变微带平行双线

图7 微带巴伦S11、S12参数

4 正弦函数加载阿基米德螺旋天线

正弦函数加载阿基米德螺旋天线双向辐射电磁波,实际使用时为单向辐射。为了保证天线在宽频带内单向辐射,一般采用异形反射腔或在腔体内填充吸波材料。将正弦函数加载阿基米德螺旋辐射器参数及指数渐变微带巴伦参数带入整体天线。仿真优化后的螺旋天线最大驻波小于1.8,正弦函数加载螺旋天线增益值如图8所示,辐射方向图如图9所示。

图8 正弦函数加载螺旋天线增益值

图9 正弦函数加载螺旋天线辐射方向图

5 结束语

本文简要介绍了阿基米德螺旋天线的工作原理,分别对传统阿基米德螺旋辐射器及正弦函数加载阿基米德螺旋辐射器进行了设计和仿真分析,比较了它们的电性能和结构尺寸。所设计的正弦加载阿基米德螺旋辐射器的有效面积减小了30%,驻波和增益指标略微下降,但仍具有良好的电性能,适用于有小型化需求尤其是工作频段较低的应用场合。

[1] Kaiser.The Archimedean Two-wire Spiral Antenna[J]. IRE Transactions on Antennas And Propagation, 1960(5).

[2] 李连辉. 自补型阿基米德平面螺旋天线的设计与分析[J]. 遥测技术, 2003(4): 31-36.

[3] 陈小娟,袁乃昌. 平面螺旋天线的设计与实现[J]. 雷达与对抗, 2004(4): 31-33.

[4] 宋朝晖,李红梅,杨汉瑛,等. 曲折臂形式的阿基米德螺旋天线小型化研究[J]. 微波学报, 2009, 25(2):53-57.

[5] 何志国,徐风清,崔景波. 一种星载平面螺旋天线的小型化设计方法[J].航天器工程, 2012,21(1):68-71.

Design of Archimedean spiral antenna with sine function

XU Hai-peng, SHEN Qiang-qiang, CHENG Hao-yu

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The Archimedean spiral antenna, as a kind of ultra wideband antenna, is widely used in the communication and navigation and other fields. The miniaturization design of the conventional Archimedes spiral antenna is performed with sine function. The simulation results show that although the antenna aperture area is decreased by 30%, the antenna still has good VSWR and gain characteristics.

spiral antenna; sine function; miniaturization

2017-03-01

徐海鹏(1986-),男,工程师,硕士,研究方向:超宽带天线技术;申强强(1991-),男,助理工程师,硕士,研究方向:天线技术;承浩宇(1980-),男,高级工程师研究方向:天线技术。

TN823.31

A

1009-0401(2017)02-0027-03