缝隙阿基米德螺旋天线及其小型化设计

缝隙阿基米德螺旋天线及其小型化设计摘要本文介绍了缝隙形式的平面阿基米德螺旋天线并与普通平面阿基米德螺旋天线进行了对比。在此基础上提出了一种将缝隙设计成曲折线的形式，末端采用电阻加载，采用直接同轴馈电的方式，浅背腔的设计，从而达到将平面螺旋天线小型化的目的。制作的小型化天线直径大小只有75MM厚度12MM，在094GHZ的频带范围内有良好的阻抗特性和增益特性，满足工程使用的要求。关键词阿基米德螺旋天线、缝隙螺旋天线、小型化、电阻加载、曲折臂MINIATURIZATIONOFSLOTPLANARARCHIMEDEANSPIRALANTENNAINTHISPAPER，SLOTPLANARARCHIMEDEANSPIRALANTENNAANDTHECONTRASTBETWEENITANDTHECOMMONPLANARARCHIMEDEANSPIRALAREINTRODUCEDONTHISCONDITION,THEMINIATURIZATIONOFSLOTPLANARARCHIMEDEANSPIRALANTENNAREALIZEDBYDESIGNINGTHESLOTLINEINTHEFORMOFMEANDERLINE,DISCRETERESISTANCELOADINGINTHEENDOFANTENNA,ASIMPLEFEEDANDSHALLOWREFLECTINGCAVITIESWEGETANANTENNASAMPLEWITHADIAMETEROF75MMANDATHICKNESSOF12MM,THEANTENNAWHICHISQUALIFIEDTOTHEENGINEERINGAPPLICATIONS,KEEPSGOODCHARACTERISTICSOFIMPEDANCEMATCHANDGAINKEYWORDSPLANARARCHIMEDEANSPIRALANTENNA，SLOTPLANARSPIRALANTENNA，MINIATURIZATION，RESISTANCELOADING，MEANDERLINE1、引言平面螺旋天线1因其低剖面、圆极化、宽频带、易于共型等特点得到了广泛的应用。平面螺旋天线主要有等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线两种形式。阿基米德螺旋天线是一种较为常见的平面螺旋天线，它的曲线方程为（1）00R其中，为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，为方位角，为起始角，为螺旋线R00R起始点到原点的距离，为常数，称为螺旋增长率。通常采用印刷技术制造这种天线，并A且使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以便形成自补结构，这样有利于实现宽频带的阻抗匹配。缝隙阿基米德螺旋天线具有和普通阿基米德螺旋天线相类似的性质，但由于其更易于加载和更低的剖面在小型化方面难度低于普通的阿基米德螺旋天线。文章2给出了一种缝隙天线的设计，有效的解决了低剖面的问题，并改进了了平面螺旋天线的馈电方式。文章3提出了一种利用将平面阿基米德螺旋天线的双臂设计成曲折线的形式来进一步将平面螺旋天线小型化，本文在上述文章的基础上对缝隙平面螺旋天线进行了研究。2、天线的设计、仿真与制作螺旋天线可以分为以下几个部分螺旋天线辐射面、馈电及巴伦、背腔。大多数情况下为了获得良好的低频特性还需要对天线进行加载。21天线辐射面的制作缝隙阿基米德螺旋天线的辐射面同样可以用印刷的技术制造，在整块铺铜的电路板上，蚀刻出两条互绕且中心相连的阿基米德螺旋槽线。缝隙螺旋天线的辐射面主要的参数有辐射面的直径，螺旋线的螺旋增长率，缝隙的宽度。同普通的平面螺旋天线类似，辐射面的直径越大，天线的低频性能越好，当螺线直径小于时，增益不大，随着直径的增加，/增益逐渐加大，最后到达某一上限。螺旋增长率越小，螺旋线的曲率半径越小。在螺旋A线外径相同的条件下，螺旋线总长度大，则终端效应小，频带内的特性也较好1。天线辐射面的缝隙宽度与天线的输入阻抗密切相关，是影响天线驻波的重要因素。图1普通缝隙天线的实物图FIGURE1SLOTPLANARARCHIMEDEANSPIRALANTENNA如图1所示我们取缝隙螺旋天线的螺旋增长率为1，圈数为5圈。图2是在其他条件相同情况下分别取缝隙宽度为03MM、05MM、07MM进行仿真的结果，仿真结果表明缝隙宽度越细，天线的输入阻抗越小。为了将馈电简化将输入阻抗设计在50左右，最终选择03MM的缝隙宽度，75MM直径来设计天线面。0051152253354020406080100120140160180200下下下下下下下下下下下下下下GHZ下下下下下下下下下下下下03MM下下下下05MM下下下下07MM图2不同缝隙宽度输入阻抗对比图FIGURE2THECONTRASTOFDIFFERENTSLOTWIDE22天线的末端加载为了扩展天线的低频特性我们需要对天线进行各种形式的加载，常见的有将阿基米德螺旋天线的最外几圈设计成曲折臂的形式，文章3提出了几种类型的曲折臂并进行了分析。对阿基米德螺旋天线末端进行电阻加载,文章4对普通的阿基米德螺旋天线进行了研究，这种进行电阻加载的方式在缝隙螺旋天线上将变的更为方便。我们首先对天线的末端加载电阻进行了研究，对天线加载电阻的情况与未加载电阻的天线进行了对比。图3是两个相同天线一个天线未加载电阻和一个天线电阻由低到高分别加载到43时的反射系数对比图，未加载电阻的天线大约在12G时反射系数低于K10DB，而加载了电阻的天线在075G时反射系数就已经低于10DB实验表明电阻的加载可以有效的降低天线低频段的驻波。0051152253354403020100下下下下下下下下下下下下下下下下下下GHZ下下下下下DB下下下下下下下下下下图3天线电阻加载反射系数对比图FIGRE3THECONTRASTOFREFLECTANCEWITHRESISTANCELOADINGORNOT除了对天线的末端进行电阻加载之外，我们还将缝隙螺旋天线的最外几圈的螺旋线进行曲折57，增加天线的电长度，以实现我们小型化的目的。图4是天线未加载曲折臂和加载曲折臂的反射系数对比，未加载的天线大约在12G时反射系数低于10DB，加载的曲折臂天线大约在10G时低于10DB，由于加载造成的天线的阻抗变化，在低频段略有起伏。实验表明正弦形状加载的曲折臂天线在频率低端明显优于同等尺寸的普通缝隙螺旋天线。0051152253354403020100下下下下下下下下下下下下下下下下下下下GHZ下下下下下DB下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下下图4天线曲折臂加载反射系数对比图FIGURE4THECONTRASTOFREFLECTANCEWITHMEANDERLINEORNOT23天线的实物测试最终制作的天线实物如图10所示我们同时进行了曲折臂加载和电阻加载图5曲折臂缝隙螺旋天线实物图FIGURE5PRACTICALITYOFSLOTPLANARSPIRALANTENNA实测天线的反射系数如图11所示在094G的频带范围内反射系数均小于10DB，驻波满足工程使用的要求。0051152253354403020100下下下下下下下下下下GHZ下下下下下DB下S11图6实测天线的反射系数FIGURE6THEMEASUREDREFLECTANCE实测天线的增益低频部分频点有问题如图12所示低频段由于尺寸的限制增益值不可能很高，天线的增益值在094G整个频带内大于12DB，表明天线可以在整个频段内正常工作。0051152253354151050510下下下下下下下下下GHZ下下DB图7094GHZ缝隙螺旋天线增益曲线FIGURE7THEMEASUREDGAIN实测天线的方向图在09G、15G、25G、4G时如图13所示，实验数据表明天线在方向图在整个频带内到的范围内均能保持良好的特性满足使用要求。3010080604020020406080100605550454035302520下下下下下下下下下下下下下下下下DB09G15G25G4G图8实测天线的方向图FIGURE8THEMEASUREDPATTERN4、结论本文对缝隙阿基米德螺旋天线的小型化方面进了研究、仿真和实验，实验结果证明了末端电阻加载和将最外圈进行曲折臂化设计对缝隙螺旋天线的小型化有较好的效果，最后设计出了直径75MM的曲折臂缝隙阿基米德螺旋天线，并对其驻波、增益、方向图等方面进行了测量，测量结果满足工程的使用要求。参考文献1林昌禄天线工程手册M北京电子工业出版社,20022倪文俊,蒋凡洁宽波段背腔槽隙螺旋天线的设计C全国天线年会论文,中国,合肥,20077477503宋朝晖,李红梅,杨汉瑛,邱景辉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,第25卷第2期。4龙小专，袁飞，一种小型平面螺旋天线C，2009全国天线年会论文集（上）,20095TOZDEMIR,JLVOLAKISANDMWNURNBERGER,“ANALYSISOFTHINMULTIOCTAVECAVITYBACKEDSLOTSPIRALANTENNAS,”IEEPROCEEDINGSMICROWAVE,ANTENNASANDPROPAGATION,VOL146,PP447454,DECEMBER19996MNURNBERGERANDJLVOLAKIS,“NEWTERMINATIONFORULTRAW