宽波段背腔槽隙螺旋天线的设计.doc

宽波段背腔槽隙螺旋天线的设计倪文俊 蒋凡杰（中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802）摘要 本文介绍一种宽波段背腔槽隙螺旋天线，该天线具有极宽的频带，能在10：1以上带宽内保持较好的圆极化辐射性能，而且能很方便地将频带向低频段扩展。这种天线优于普通平面螺旋天线的一个显著特点就是剖面极低，非常适合于共形。本文介绍了这种天线的一般设计方法，提出了一种改进的馈电方式，制作了一个工作在0.44GHz，直径175mm，厚25mm的天线样品，实测结果能够满足工程使用要求。关键词 螺旋天线、槽隙螺旋天线、宽带天线、共形天线中图分类号 Design of Broadband Cavity-Backed Slot Spiral AntennaNI Wen-jun, JIANG Fan-jie(Shanghai Research Institute of Microwave Equipment ,Shanghai 201802,China)Abstract In this paper,a broadband cavity-backed slot spiral antenna is proposed. Antennas of this kind can maintain excellent near-circular polarization radiation performance over a 10:1 bandwidth,and extending its bandwidth toward lower frequency band is very easy. A notable feature of the antenna is the extreme shallow cavity that can be conformally mounted on vehicles. This paper introduced the basic approach of designing the antenna and brought up an improved feed.An antenna sample with a diameter of 175mm and a thickness of 25mm delivers an excellent radiation performance from 0.4GHz to 4GHz.The sample is qualified to the engineering applications.Key words spiral antenna, slot spiral antenna, broadband antenna,conformal antenna1 引言槽隙螺旋天线可近似看成是平面螺旋天线的互补形式，因而它与平面螺旋天线一样，也是一种非频变天线，并具有超宽的频带，稳定的增益和较低的轴比。大家知道，平面螺旋天线为获得单向辐射图，必须在天线面的一侧放置一个填满吸收材料的背腔。这是因为平面螺旋天线依赖电流（在导电的螺旋线上流动）的辐射，电流产生的腔反射波与向外的辐射波在相位上是不一致的，除非腔足够深（通常为最低工作波长的1/4）或者腔内填满了吸收材料，这样一来，不但损失了至少3dB的增益，也增加了天线厚度。而槽隙螺旋天线则利用槽线进行辐射，激励槽线的是磁流而非电流，因此可以用一个浅至最低工作波长1/101/100的背腔加强（而非吸收）辐射1，使得增益提高而剖面降低。在需要共形设计的场合，选择槽隙螺旋天线是非常合适的。2 天线结构一般，槽隙螺旋天线由巴伦与馈电、螺旋槽终端电阻和背腔三大部分构成。在天线的一面，蚀刻有两条互绕且中心相连的阿基米德螺旋形槽线，最外圈的一段槽线上旋转对称地跨接着两组终端电阻，用来降低轴比；在天线的另一面，一条微带线以背面构成辐射槽的金属区域作为其金属地，沿螺旋线由外而内绕至天线中心，在穿过天线中心后通过一个金属化孔的过孔与背面金属地连接，这条被称为“无限巴伦2”的渐变微带线同时起到了巴伦和阻抗渐变的作用；另外，为使天线单向辐射，刻有槽线的一面还需要增加一个反射背腔。大多数资料中介绍的槽隙螺旋天线都使用了上面介绍的这种平面“无限巴伦”完成馈电与阻抗变换34。在天线的输入端，同轴系统的阻抗为50，而槽线的阻抗一般设计在120140左右，也就是说微带线在天线中心的阻抗应为6070，这样即使不采取阻抗渐变，端口反射系数也不至过大。因此我们采用了在天线中心由同轴电缆直接垂直馈电的方式，电缆外皮焊接在背面的一侧金属地上，内芯穿过基板后再回接到另一侧金属地上。这种方式使天线的驻波曲线呈现出“高通”的特性，同时减小了馈线损耗，并使天线的馈电点基本处于天线面中心，方便安装使用，天线面也由以前的双面板简化成了单面板。我们研制的天线面实物如图1、2所示：图1. 天线面正面（无金属层，只有中心馈电）图2. 天线面背面（显示了辐射槽、终端电阻和同轴馈电，为观察方便，拿开了背腔）3 设计方法本文给出的槽隙螺旋天线口径为175mm，工作频率范围为0.44GHz，基板选用厚度0.8mm，介电常数4.4的环氧板。首先确定天线口径。一般，辐射槽的最大外径D max 按（1）式计算： （1）式中为最低工作频率对应的波长。考虑到还需要留出约半圈的空间用于接螺旋槽终端电阻，总口径可略取大些。但如果降低对低频段增益的要求，可通过增加终端电阻数量和增大阻值的方法来减小天线口径。由于文中所述的天线有尺寸限制，因此总口径仅取175mm。在天线设计中，阿基米德螺旋线的增长率一般在0.20.3 cm/rad之间，本文所述的天线螺旋增长率取0.28cm/rad。天线的槽宽始终固定为0.76mm，槽与槽之间金属的宽度为8mm，此时槽阻抗约为120。终端电阻的作用是为了吸收发射波，实现低轴比，同时具有调节频率下限的作用。本文采用了140个等距分布终端电阻，每条槽臂上各70个，阻值由最外向内逐渐变大，从150渐变到2000。如果希望工作频率进一步降低，可在内圈继续增加大阻值电阻，但这样会使天线增益降低。背腔深度可以做得很小，但腔深过小会使增益降低，本文所述天线腔深23mm，约为最大工作波长的1/30。4 实验结果根据以上设计参数制作出的槽隙螺旋天线具有极好的宽频带特性和辐射特性。实测的驻波曲线如图3所示： 图3. 0.44GHz槽隙螺旋天线驻波曲线实测的方向图曲线如图4所示：图4. 0.44GHz槽隙螺旋天线方向图曲线图中3GHz时有一个面的方向图中出现了约3dB的凹坑，这是由于TM110和TM210模式在腔体中谐振造成的。实测的天线增益曲线如图5所示：图5. 0.44GHz槽隙螺旋天线增益曲线5 结论本文给出的这种宽波段背腔槽隙螺旋天线在0.44GHz具有很好的辐射特性，实际的驻波带宽更宽，工作频率也可以轻易下扩0.2GHz，而天线面直径仅175mm，总厚度仅25mm。此外通过简化馈电方法，降低了设计难度，改善了天线的宽频带特性。参考文献1 J.L.Volakis,M.W.Nurnberger,and D.S. Filipovic. A broadband Cavity-Backed Slot Spiral AntennaJ. IEEE Antenna and Propagation Magizines. vol.43, No.6, December 2001. 2 J.D.Dyson. The Equiangular Spiral AntennaC. IRE Transactions on Antennas and Propagation. AP-7, pp.181-187, April 1959. 3 M.Turner,Spiral Slot AntennaP.US Patent No.2,863,145,Issued December 2, 1958. 4 Tayfun Ozdemir,M.W. Nurnberger,and J.L.Volakis.A Thin Cavity-Backed Archimedean Slot Spiral for 800-3000MHz Band Coverag