宽角覆盖阿基米德螺旋天线的设计与研究

1、代号10701学号1018120786分类号TN820密级公开题 （中 、英 文）目宽角覆盖阿基米德螺旋天线设计与研究Design and Research on Archimedean Spiral AntennaWith Wide-angle Coverage作 者 姓 名葛旭旭 指导教师姓名、职务傅光 教授学 科 门 类工 学学科、专业电磁场与微波技术提交论文日期二一三年三月创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或

2、其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密在本

3、人签名：导师签名：年解密后适用本授权书。日期日期摘要摘要本文针对天线在高增益、超宽带、圆极化、宽角覆盖、小型化等特性上的要求，主要研究了一种改进型的平面阿基米德螺旋天线。测试结果表明，天线带宽达 2 倍频，且具有良好的辐射特性。本文在平面阿基米德螺旋天线的设计中，优化设计了螺旋线圈数，尽量缩小辐射体直径，以保证天线辐射方向图不圆度特性；在反射腔设计时，提出了一种改进型的反射腔即“帽”型反射腔，解决了方向图宽角覆盖的特性。在改善天线轴比方面，采取了螺旋线末端加载的方法，使得天线轴比在设计频带内达到 3dB。同时根据天线的阻抗特性，设计了一种超宽带巴伦。论文中最后对此天线设计中水平面辐射方向图不对

4、称的问题及改进方法进行了分析讨论。I关键词：宽角覆盖高增益超宽带轴比II宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究ABSTRACTABSTRACTIn this paper, for requirements on high- gain, ultra-wideband, circularly polarized,wide-angle coverage, miniaturization and other features, an improved Archimedean spiralantenna was developed. The test results show that the ante

5、nna has good radiationcharacteristics all over the designing frequent band.On designing Archimedean spiral antenna, we optimize the number of the helical coiland minimize the diameter of the radiating body to reduce the non-circularity of the antennaradiation pattern. In order to achieve the charact

6、eristics of the wide angular coverage, wedeveloped an improved reflector cavity, hat-shaped cavity. By adding loadings at the end ofthe antenna, axial ratio can be improved and can be less than 3dB all over the designingfrequent band. According to the impedance characteristics of the antenna, we des

7、igned anultra-wideband balun for this antenna. At the end of the paper, we also analyzed anddiscussed the asymmetry of the horizontal plane radiation.IIIKeywords: wide-angle coverageultra-widebandhigh gain ARIV宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究目录V目录第一章 绪论 . 11.1 课题研究背景与意义 .11.2 国内外研究状况 . 11.3 本文主要工作及内容安排 . 3第二章 平面

8、螺旋天线研究 .52.1 天线的极化理论 . 52.1.1 天线极化基本理论 . 52.1.2 极化分解 .102.1.3 圆极化波特点 . 112.1.4 极化测量 .132.2.非频变天线 . 152.2.1 由角度确定的天线 . 152.2.2 一般的分析方法 . 162.2.3 方向图 .192.2.4 伪频率无关天线 . 222.3 阿基米德平面螺旋天线 . 23第三章 阿基米德螺旋天线仿真设计 . 253.1 辐射体仿真设计 .253.1.1 螺旋线宽与间隙比对阻抗影响 .253.1.2 螺旋内径对阻抗影响 . 263.1.3 介质介电常数对阻抗影响 .273.1.4 螺旋增长率（

9、螺旋线宽）对阻抗影响 . 273.2 反射腔仿真设计 .293.2.1 帽 型反射腔 .293.2.2螺旋末端加吸收电阻 . 313.3 宽带巴伦仿真设计 .323.3.1 宽带巴伦介绍 . 323.3.2 巴伦类型介绍 . 35VI宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究3.3.3 指数型渐变线超宽带巴伦.403.4 天线整体仿真.433.4.1 整体结构与尺寸.433.4.2 天线整体仿真结果.44第四章 仿真结果分析与样机测试.474.1 仿真结果分析与讨论.474.1.1 反射板挖孔影响.474.1.2 巴伦不平衡馈电.494.1.3 考虑巴伦介质板厚度.514.2 样机制作与测试.54

10、4.2.1 样机制作.544.2.2 样机测试.55第五章 结束语.57致谢.59参考文献.61在读期间研究成果.63第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义随着社会进步，移动通信技术也以日新月异的速度不断发展，天线已经广泛应用在军事领域和人们日常生活中了。目前，在某些高速飞行载体上面，需要用超宽带天线进行控制与通信。比如导弹，飞机，飞艇等，它们在飞行中，其姿态在不停的改变。为了更好的控制与通信，天线这一块就对圆极化、宽波束。超宽带等特性提出了要求，另外还需要满足小型化及低剖面的要求。平面螺旋天线属于非频变天线，是一种较为普遍的超宽带天线。此天线可以在很宽频带内具有非常好的阻抗、方

11、向图以及圆极化特性，因此会在电子侦察与反辐射制导等不同领域得到广泛的应用。目前国内反辐射的被动导引头的研究非常快，它可以有效地去打击敌人的雷达、预警系统用来达到摧毁敌人，保护自己的最终目的。而反辐射被动导引头的最重要关键技术之一就是得具有宽频带甚至超宽频带的天线。我们知道，宽频带天线的种类是比较多的，但是大部分在地面上使用，体积以及尺寸都会比较大。因此被用作反辐射导弹上的天线，一方面要求天线体积尽量小，另一方面要求有非常好的宽频带特性，还有就是载体姿态在空中不停的改变，为了更好的控制与通信，还需要对宽波束特性提出了要求。所以研究圆极化、小型化、高增益、宽波束的宽频带天线具有非常重要的现实意义。

12、本文以平面螺旋天线为基础，开展小型化、高增益及宽波束平面螺旋天线的研究，提出了帽型反射腔体的设计，以提高天线的增益和波瓣宽度。其次也对平面阿基米德螺旋天线方向图不圆度进行研究分析。虽然平面螺旋天线发展较早，但其良好的宽带特性和广泛的应用领域使其仍然具有比较重要的意义。当然我们也期待有新的天线形式及计算方法的提出。1.2 国内外研究状况近些年国内外对于阿基米德螺旋天线的研究愈来愈多。阿基米德螺旋天线的形式和特性也各具特点，下面就给出几种比较有代表性的。阿基米德正多边形螺旋天线1 如图 1-1 所示，它具有背腔结构，并且背腔内也有吸波材料。它的螺旋线在高频接近圆慢慢过渡到低频的方形。这种形式使得天

13、线轴比在 6 倍频内 90%以上低于 3dB，缺点就是增益受到了影响，主极化增益最大只有 6dB。椭圆形背腔的阿基米德螺旋天线2，如图 1-2 所示，它是利用椭圆背腔来控制天线的2宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究波束宽度，我们根据实际中的波束需求通过控制椭圆的形状，对于波束有一定的影响，缺点是增益较低及轴比也不够理想。竖直的金属条3用作螺旋线的阿基米德螺旋天线，这样的话螺旋就可以绕的很紧，结构紧凑，利于控制天线的输入阻抗与极化纯度。还有如图 1-3 所示的螺旋形式4，它的尺寸可以达到只有普通阿基米德螺旋天线的一半，具有小型化特性。图 1-1 正多边形螺旋天线图 1-2 椭圆阿基米德螺旋天

14、线图 1-3 新型阿基米德螺旋天线采用超材料如 EBG 结构 5用作背腔的阿基米德螺旋天线，可以有效降低天线的高度，达到低剖面的目的。还有背腔中加入带状吸波材料 6，有利于改善低频输入阻抗与轴比。第一章 绪论3阿基米德螺旋天线的馈电方式也各有不同，有从各臂最外端分别馈电 7的可以改善圆极化纯度，并且通过控制各馈电点的相位也可以使得天线呈现不同的极化方式。还有微带线馈电8的阿基米德螺旋天线。当然最常用的就是用指数渐变巴伦馈电。以上国内外的研究主要针对的轴比、增益、低剖面等单方面的研究，本文的主要研究目的是怎么样在超宽带保持良好宽波束增益的前提下，改善轴比以及方向图的不圆度的研究，对于阿基米德螺旋

15、天线在各方面的应用有着重要的意义。1.3 本文主要工作及内容安排本文对平面螺旋天线，尤其是阿基米德平面螺旋天线的设计理论及实现的方法做了详细的研究探讨。首先设计了工作带宽为 2 倍频的阿基米德螺旋天线辐射体，接着根据实际的工程要求，设计了阿基米德平面螺旋天线的反射腔及馈电巴伦。最后对天线整体进行了仿真优化。最后也做了实物进行测量验证。第一章绪论。首先介绍了此论文的研究背景与意义，此类天线主要应用与飞行载体上，尤其是电子侦察与反辐射制导等不同领域得到广泛的应用。由于其特出应用，决定了我们在研究这类天线，就会主要集中在小型化，高增益，宽波束等方面，因此本论文的研究具有重要的现实意义。第二章平面螺旋

16、天线研究。首先研究了天线的极化理论，天线极化的分类，极化的分解。重点介绍了圆极化波的特点，圆极化波在实际应用中的优势。最后还研究了极化的测量，针对圆极化天线增益轴比的测量，主要有极化图法，以及振幅相位法。第三章阿基米德平面螺旋天线仿真设计。这一部分首先给出了阿基米德螺旋天线的辐射体的设计方法与过程，主要是怎么确定螺旋线宽、圈数等；接着研究了天线反射腔的设计并提出了一种改进型的帽型反射腔，帽型反射腔的设计有效地改善了天线辐射方向图的波束宽度，而在螺旋末端加载也改善了天线轴比；然后设计了一种超宽带巴伦，可与天线辐射体达到较为理想的匹配；最后针对天线整体进行了仿真计算，确定天线整体结构以及尺寸并给出

17、一些重要尺寸。第四章仿真结果分析与样机测试。首先对仿真中出现的天线水平面辐射方向图不对称问题进行了分析讨论，主要从反射腔挖孔、巴伦介质板厚度以及巴伦幅度相位不平衡三个方面进行讨论，分析出其根本原因；然后展示了制作的样机，给出了样机各视角照片；最后对其进行驻波测量，最终结果满足要求。第五章结束语，主要是对本文做的工作进行总结，总结了论文的工作前提、工作内容以及研究成果。最后也分析了需要进一步解决的一些问题以及后续需要做的工作。4宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究第二章 平面螺旋天线理论分析第二章 平面螺旋天线研究本章首先研究了天线极化的一些基本理论，内容包括实际工程测试中需要的一些天线极化参

18、数，并且也对其极化基础理论做了详细介绍，以及极化参数测试方法。接着研究了非频变天线的理论，同时也给出了阿基米德螺旋天线的一些基础理论。最后也介绍了所需的仿真软件及算法。2.1 天线的极化理论2.1.1 天线极化基本理论1 天线的极化天线的极化一般需要指定方向，指的是天线在指定方向辐射的电磁波的极化，换句话说就是在此方向上当天线接受功率最大时入射波的极化。天线极化和所研究的方向没有关系，我们通常说的极化指的是最大接收或是最大辐射方向的极化。电磁波的极化，是电磁波的一个特定的场矢量的极化。而在工程中通常为电场矢量。所谓的极化形式，我们定义为电场矢量在空间某个固定点处，电场矢量矢端随时间变化的运动轨

19、迹。图 2.1 极化椭圆通常瞬时电场可表示为5E(z, t) = ReE(z)e jwt jf(2-1)(2-2)式(2-2)中，Exm 是水平方向极化电磁波的振幅，Eym 是垂直方向极化电磁波的振幅， fx 和 f y 分别为水平方向极化电磁波和垂直方向极化电磁波的相位角。我们令水e jfx + yEE(z) = (xExm yme y )e- jkz6宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究平方向极化电磁波的瞬时电场为 Ex(t)，垂直方向极化电磁波的瞬时电场为 Ey(t)，它们都是空间坐标与时间的函数，那么E(z, t) = xEx (t) + yEy (t)Ex (t) = Exm co

20、s(wt - kz + fx )Ey (t) = Eym cos(wt - kz + fy )这里我们令 Df = fy - fx ，即 Df 为 Ey (t) 超前 Ex (t) 的相为角。这里为了方便简化，我们取 z=0 这个平面进行分析，就会有Ex (t) = Exm cos wtEy (t) = Eym cos(wt + Df)我们将式子(2-7)进行展开Ey (t) = Eym (cos wt cos Df - sin wt sin Df)于是由式子(2-6)可得(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)cos wt =Ex (t )Exm(2-9)sin wt =

21、 1 - cos2 wt = 1 - (Exm)(2-10)我们再将式子(2-9)和(2-10)代入到(2-8)，就会有(2-11)2 - 2 (t)E 2Exm Exm Eym Eym等式的左右两边均除以 sin 2 Df ，式子就可以简化得aEx2 (t) - bEx (t)Ey (t) + cEy2 (t) = 1其中(2-11)(2-12)a =2xm1(2-13)b =2cos DfExm Eym sin 2 Df(2-14)Ex (t) 2Ex y (t) + = sin 2 DfE 2 (t) cos Df E 2 (t)E sin 2 Df第二章 平面螺旋天线理论分析7c =2

22、ym1(2-15)式(2-12)是一般椭圆的表达方程，此方程表示由 Ex(t)和 Ey(t)所组成的电场矢量矢端运动的轨迹是个椭圆。他们所合成的电场矢量，其振幅的大小随着时间变化而变化，矢量旋转的速度一般也不会均匀，这个就是通常所说的椭圆极化波。（1）线极化波当 Df = 0,p 时， Df = fy - fx（2）圆极化波Ex (t) E y (t )Exm E ym(2-16)当 Df = p2时，并且 Exm = Eym2 2 2(2-17)1212其中 n=0,1,2,，IEEE 关于右旋与左旋圆极化的定义是这样的，我们顺着着电磁波的传播方向看过去，当其顺时针旋转时为左旋，而其逆时针旋

23、转时则为右旋。（3）椭圆极化波n2电场矢量矢端的运动轨迹都会是个倾斜椭圆。2 极化主要参数（1）极化图。XY 平面上 E 在任意一个 f 方向的瞬时投影Ef (t) = Ex (t) cosf + Ey (t)sin f我们将式(2-6)和(2-7)带入式(2-18)可得Ef (t) = Exm cosf cos wt + Eym sin f cos(wt + Df)然后将上式中的 sin(wt + Df ) 进行展开，经过整理可得Ef (t) = Ef sin(wt + g )其中(2-18)(2-19)(2-20)E sin 2 Df=(t) + E (t) = EEx y xmDf =

24、fy x = +( + 2n)p 此时为左旋圆极化- fDf = fy x = -( + 2n)p 此时为右旋圆极化- f当 Exm ym 时或者 Df = fy x p ，不论 Exm 是否与 E ym 相等，他们所合成的- f E8宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究Ef 2 = (Exm cosf + Eym sin f cos Df)2 + (Eym sin f sin Df)2(2-21)g = tan -1Eym sin f sin DfExm cosf + Eym sin f cos Df(2-22)将式(2-21)中的平方项进行展开。然后运用倍角公式处理后可得1 2 2 2

25、22(2-23)Ef 与 f 的关系图我们就称为波的极化图，它主要是给出电场矢量 E 在 f 方向的最大投影。所以， Ef 实际上是线极化天线在 XY 平面进行旋转，并对 f 方向的场强的接受响应，这里极化图中的最大值与最小值与极化椭圆中最大值与最小值是重合的。（2）倾角。椭圆极化的倾角一般是指极化椭圆的长轴 OA 和 x 轴所形成的夹角t 。倾角和线极化分量参数 Exm，Eym 及 Df 间的关系我们通过下面推算可以得到。图 2.2 椭圆极化的倾角这里我们以 XY 坐标做参考，令一组新坐标 X Y ，那么任意 P( x, y) 的坐标可以用新坐标表示为X = X cost - Y sintY

26、 = X sint + Y cost那么电场分量 Ex(t)与 Ey(t)也可用新定义的电场分量表示为Ex (t) = Ex (t) cost - Ey (t)sintEy (t) = Ex (t)sint + Ey (t) cost(2-24)(2-25)(2-26)(2-27)将式(2-26)和式(2-27)带入2 - 2 (t)E 2Exm Exm Eym Eym22 - 2 +E) +Ef 2 = Exm ym xm ym xm ym sin 2f cos Df ) cos 2f + 2E E+ E+ (E- EEx y (t) + = sin 2 Df 可以得到E 2 (t) cos

27、 Df E 2 (t)Ex (t)(sin 2 t sin 2t cos Df cos 2 tEym xm ym xm2 sin 2 Dfsin DfE E sin Df第二章 平面螺旋天线理论分析9Ex (t)Ey (t)(2 2 - 2 - 2 2) +Ey2 (t)(2 - 2 +E) = 1(2-28)那么式(2-28)为新定义坐标下的一般椭圆方程。假设椭圆极化波的极化椭圆的长轴和短轴分别与新定义的坐标 X Y 轴完全重合，那么 Ex (t)和 E y (t)的乘积项的系数应该为零，所以有由(2-29)式可得2 2 - 2 - 2 2 = 0E(2-29)那么倾角t 为tan 2t =

28、2Exm Eym cos DfExm 2 - Eym 2(2-30)122Exm Eym cos Df2(2-31)（3）轴比。椭圆极化波的轴比 AR 是指极化椭圆上长轴和短轴的比值，极化轴比与线极化分量间的关系可表示为AR =OAOB(2-32)如果极化椭圆的长轴和短轴与新定义坐标 X 及 Y 分别重合，那么 Ex (t) 和 Ey (t)项为零，式(2-28)所表示的椭圆方程则变为Ex2 (t)(2 - 2 +E) +Ey2 (t)(cos2 tEym2 sin Df+ +sin 2 tExm2 sin 2 Df) = 1(2-33)或者Ex2 (t)(Exm2 sin 2 t - Exm

29、 Eym sin 2t cos Df + Eym2 cos2 t ) + Ey2 (t)(Exm2 cos2 t+Exm Eym sin 2t cos Df + Eym2 sin 2 t ) = Exm Eym sin 2 Df(2-34)sin 2t 2cos 2t cos Df sin 2tEym sin DfExm Eym sin DfExm sin Dfcos2 t sin 2t cos Df sin 2 tEym xm ym xm2 sin 2 Dfsin DfE E sin Dfsin 2t 2cos 2t cos Df sin 2tEym xm ym xm sin Dfsin D

30、fE E sin DfExm - Eym 2sin 2 t sin 2t cos Df cos 2 tEym xm ym xm2 sin 2 Dfsin DfE E sin Dfsin 2t cos DfExm Eym sin 2 Df10宽角覆盖平面阿基米德螺旋天线设计与研究上面式子为标准椭圆方程，由此可推出轴比为AR =Exm 2 cos2 t + Exm Eym sin 2t cos Df + Eym 2 sin 2 t2 2(2-35)3 主极化与交叉极化天线一般会辐射非预定极化的电磁波，我们预定的极化一般称为主极化，非预定极化一般称为交叉极化或者寄生极化。如果我们所设计天线为辐射右旋

31、圆极化波，那么这个天线的主极化形式为右旋圆极化，交叉极化为左旋圆极化。交叉极化的方向和主极化方向是正交的，也就是说交叉圆极化的旋向与主圆极化旋向是相反的。一方面交叉极化波定会辐射一部分能量，因此相对于主极化波，他是一种损失，我们通常要尽量将其消除。而另一方面，比如收发共用天线或者双频共用天线，他们却是运用了主极化与交叉极化不同的特性，从而达到收发进行隔离或者双频进行隔离的最终目的。我们在椭圆极化波其主瓣上，定义 PRHCP (dB) - PLHCP (dB) 为给定方向角的交叉极化水平。对于理想的圆极化波，交叉极化水平是 - dB(AR=0dB)；而对于理想的线极化波，此时两个圆极化电场是相互

32、正交的，此时是 0dB(AR= dB)。轴比可以用主极化和交叉极化分量表示出。交叉极化隔离度表示为PdB = PRHCP (dB) - PLHCP (dB)1 + e1 - e(2-36)(2-37)其中 e = 10- PdB / 20 ，比如当轴比为 3dB 时，交叉极化的隔离度约为 15dB。2.1.2 极化分解对于椭圆极化波，如果我们知道了任意两个正交的分量的幅值与相位，就可以计算出主极化电平和交叉极化电平。这里定义两个相互正交的分量分别为是 EH ，EV（ EH ，EV 都含幅度与相位值）水平分量：EH = EHr + jEHi = EH ejH p= H AejH p(2-38)其

33、中， EHr = H A cos(H p )， EHi = H A sin(H p )即，EH = H A cos(H p ) + jH A sin(H p )(2-39)Exm sin t - Exm E ym sin 2t cos Df + E ym 2 cos2 tAR = 20log10 ( )垂直分量：第二章 平面螺旋天线理论分析11EV = EVr + jEVi = EV ejVp= VAejVp(2-40)其中， EVr = VA cos(Vp ) ， EVi = VA sin(Vp )即，又有9，EV = VA cos(Vp ) + jVA sin(Vp )(2-41)ERHC

34、P =ELHCP =1212(EH + jEV )(EH - jEV )(2-42)(2-43)因此，ERHCP =ELHCP =12 12 (2-44)(2-45)即 ERHCP =ELHCP =12 12 (2-46)(2-47)那么右旋圆极化的电平为 ERHCP ，左旋圆极化的电平为 ELHCP 。当 ERHCP ELHCP ，此时为右旋圆极化，并且右旋圆极化为主极化；当 ERHCP ELHCP ，此时为左旋圆极化，并且左旋圆极化为主极化10。由以上的方法，我们在测试圆极化天线的时候，只需要测出两相互正交分量的电平值和相位值，就可以得出主极化和交叉极化的值，再运用轴比的计算公式，就可间接计算出轴比值。2.1.3 圆极化波特点圆极化与线极化形式是椭圆极化的两种特殊形式。圆极化波是一个等幅值的瞬时旋( H A cos(H p ) + jH A sin(H p ) + j (VA cos(Vp ) + jVA sin(Vp )( H A cos(H p ) + jH A sin(H p ) - j (VA cos(Vp ) + jVA sin(Vp )( H A cos(H p ) -VA sin(Vp ) + j ( H A sin(H p ) + VA cos(Vp )( H A cos(H p ) + VA sin(Vp