徐海鵬,申強(qiáng)強(qiáng),承浩宇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋天線的設(shè)計(jì)

徐海鵬,申強(qiáng)強(qiáng),承浩宇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

阿基米德螺旋天線是一種超寬頻帶天線,廣泛應(yīng)用于通信導(dǎo)航等領(lǐng)域。采用正弦函數(shù)加載方式對(duì)傳統(tǒng)阿基米德螺旋天線進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明,天線口面面積減小了30%,天線仍具有較好的駐波、增益等特性。

螺旋天線;正弦函數(shù);小型化

0 引 言

阿基米德螺旋天線是一種頻率無(wú)關(guān)天線[1-3],其有效輻射區(qū)隨著頻率而變化。因此,在寬頻帶范圍內(nèi)天線的輸入阻抗變化小。該天線雙向輻射電磁波,在整個(gè)頻帶內(nèi)波寬很寬,波束寬度一般介于50°～110°。理論上,阿基米德螺旋天線輻射圓極化波,但由于幅度、相位誤差,實(shí)際天線的工作狀態(tài)為橢圓極化。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,對(duì)天線的尺寸限制越來(lái)越高,希望天線的尺寸盡可能小,同時(shí)天線仍然能實(shí)現(xiàn)較好的電性能。阿基米德螺旋天線的直徑正比于工作頻帶的下限,目前主要用于實(shí)現(xiàn)天線小型化的方法是將天線的兩臂加載曲線函數(shù)[4-5],以增加天線在低頻端的實(shí)際繞行的電長(zhǎng)度。

本文設(shè)計(jì)了一種正弦函數(shù)加載的曲折臂阿基米德螺旋天線,天線的工作頻帶達(dá)到5個(gè)倍頻程。文中應(yīng)用HFSS軟件仿真分析,并對(duì)比了傳統(tǒng)阿基米德螺旋輻射器及正弦函數(shù)加載的阿基米德螺旋輻射器的電性能,設(shè)計(jì)了指數(shù)漸變的寬頻帶平衡結(jié)構(gòu)微帶巴倫,給出了整體的小型化的阿基米德螺旋天線仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明,雖然天線口面面積減小了30%,天線仍然具有較好的電性能。

1 阿基米德螺旋天線原理

阿基米德螺旋天線的兩條螺旋臂從內(nèi)向外按阿基米德螺旋線結(jié)構(gòu)展開(kāi),同時(shí)使螺旋臂的寬度與兩條螺旋臂之間的縫隙寬度相等,則能形成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)。理論上當(dāng)對(duì)兩條螺旋臂等幅、反相饋電時(shí),天線能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)輻射圓極化電磁波。

阿基米德螺旋天線的主要輻射區(qū)位于螺旋線周長(zhǎng)約1個(gè)波長(zhǎng)的位置,因此其下限工作頻率決定螺旋線外徑。一般應(yīng)使其周長(zhǎng)2πr≥1.25λmax,λmax是螺旋天線下限工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。螺旋線內(nèi)徑對(duì)天線的輸入阻抗和上限工作頻率有很大的影響,一般應(yīng)取內(nèi)徑2r0≤λmin/4,λmin是螺旋天線上限工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

螺旋增長(zhǎng)率也是影響阿基米德螺旋天線的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)螺旋增長(zhǎng)率較小時(shí),螺旋線總長(zhǎng)度長(zhǎng),終端效應(yīng)小,此時(shí)天線駐波特性好。但是,螺旋增長(zhǎng)率不能過(guò)小,否則過(guò)多的螺旋繞線會(huì)增加傳輸線的損耗,降低低頻段的輻射能量。

2 阿基米德螺旋輻射器

2.1 傳統(tǒng)螺旋輻射器

根據(jù)傳統(tǒng)阿基米德螺旋天線的原理,設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑約300 mm的自補(bǔ)結(jié)構(gòu)螺旋輻射器,并利用電磁仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)螺旋輻射器的內(nèi)徑、線寬、繞線圈數(shù)等參數(shù)。圖1為傳統(tǒng)螺旋輻射器的駐波曲線,圖2為傳統(tǒng)螺旋輻射器的方向圖曲線。

圖1 傳統(tǒng)螺旋輻射器駐波

圖2 傳統(tǒng)螺旋輻射器方向圖

2.2 正弦函數(shù)加載螺旋輻射器

正弦函數(shù)加載螺旋輻射器是在傳統(tǒng)螺旋輻射器兩臂中對(duì)稱加入正弦函數(shù)asin(nφ),其中a為正弦函數(shù)的振幅,n為一周螺旋線對(duì)應(yīng)加載的正弦函數(shù)個(gè)數(shù)。由于采用對(duì)稱加載方式,因此螺旋臂上相鄰點(diǎn)的相位不變,對(duì)天線方向圖的影響小。

正弦函數(shù)加載螺旋輻射器增加了天線的電長(zhǎng)度,同時(shí)也帶來(lái)了損耗。因?yàn)槁菪椛淦鞒叽缬晒ぷ黝l率的下限決定,因此螺旋輻射器的小型化針對(duì)螺旋輻射器的低頻段部分,而螺旋輻射器的初始部分應(yīng)采用傳統(tǒng)阿基米德螺旋輻射器結(jié)構(gòu)。

圖3為正弦函數(shù)加載螺旋輻射器,初始部分為傳統(tǒng)阿基米德螺旋結(jié)構(gòu),外部為正弦函數(shù)加載結(jié)構(gòu)。仿真優(yōu)化后的正弦函數(shù)加載螺旋輻射器約250 mm。圖4為正弦函數(shù)加載螺旋輻射器的駐波曲線,圖5為正弦函數(shù)加載螺旋輻射器的方向圖曲線。

圖3 正弦函數(shù)加載螺旋輻射器

圖4 正弦函數(shù)加載螺旋輻射器駐波

圖5 正弦函數(shù)加載螺旋輻射器方向圖

3 寬帶巴倫設(shè)計(jì)

螺旋輻射器是平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu),而同軸連接器為非平衡結(jié)構(gòu),因此須采用不平衡到平衡的過(guò)渡寬帶巴倫。本文采用指數(shù)漸變微帶平行雙線實(shí)現(xiàn)不平衡到平衡的過(guò)渡,如圖6所示。微帶巴倫同軸端阻抗為50 Ω,平衡饋電端阻抗為110 Ω,指數(shù)漸變微帶巴倫的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 指數(shù)漸變微帶平行雙線

圖7 微帶巴倫S11、S12參數(shù)

4 正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋天線

正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋天線雙向輻射電磁波,實(shí)際使用時(shí)為單向輻射。為了保證天線在寬頻帶內(nèi)單向輻射,一般采用異形反射腔或在腔體內(nèi)填充吸波材料。將正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋輻射器參數(shù)及指數(shù)漸變微帶巴倫參數(shù)帶入整體天線。仿真優(yōu)化后的螺旋天線最大駐波小于1.8,正弦函數(shù)加載螺旋天線增益值如圖8所示,輻射方向圖如圖9所示。

圖8 正弦函數(shù)加載螺旋天線增益值

圖9 正弦函數(shù)加載螺旋天線輻射方向圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了阿基米德螺旋天線的工作原理,分別對(duì)傳統(tǒng)阿基米德螺旋輻射器及正弦函數(shù)加載阿基米德螺旋輻射器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析,比較了它們的電性能和結(jié)構(gòu)尺寸。所設(shè)計(jì)的正弦加載阿基米德螺旋輻射器的有效面積減小了30%,駐波和增益指標(biāo)略微下降,但仍具有良好的電性能,適用于有小型化需求尤其是工作頻段較低的應(yīng)用場(chǎng)合。

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

[2] 李連輝. 自補(bǔ)型阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計(jì)與分析[J]. 遙測(cè)技術(shù), 2003(4): 31-36.

[3] 陳小娟,袁乃昌. 平面螺旋天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2004(4): 31-33.

[4] 宋朝暉,李紅梅,楊漢瑛,等. 曲折臂形式的阿基米德螺旋天線小型化研究[J]. 微波學(xué)報(bào), 2009, 25(2):53-57.

[5] 何志國(guó),徐風(fēng)清,崔景波. 一種星載平面螺旋天線的小型化設(shè)計(jì)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

徐海鵬(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:超寬帶天線技術(shù);申強(qiáng)強(qiáng)(1991-),男,助理工程師,碩士,研究方向:天線技術(shù);承浩宇(1980-),男,高級(jí)工程師研究方向:天線技術(shù)。

TN823.31

A

1009-0401(2017)02-0027-03