一种带反射腔的超宽带阿基米德螺旋天线的分析与设计

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                1  引言

                        一般情况下，天线的电性能取决于它的电尺寸，但有一类天线，它们的方向图、增益、输入阻抗等电特性参数在相当宽的频率范围内电特性变化不大，因此具有超宽带特性。阿基米德螺旋天线便是典型的超宽频带天线之一，它具有宽频带、圆极化、尺寸小、效率高以及可以嵌装等优点，作为导弹中反辐射引信设备的引向天线，具有重要的作用。
                         
                        2  阿基米德螺旋天线原理

                        阿基米德螺旋天线可以等效为双线传输线。如图（1）中虚线和实线表示两臂。
                        研究图中 , 点处的两线段，设 ,即和Q为两臂上对应点，对应线段上的电流相位差π，由Q点沿螺旋臂到点的弧长近似等于πr，这里r为 的长度，故点和点电流的相位差为 。若设 ，则和点相位差为2π.
       

               

       

                图1  螺旋双臂

                         
                        因此，满足上述条件，两线段的辐射是同向叠加。天线的主要辐射集中在周长约等于λ的螺旋环带上。
                         
                        3  螺旋天线组合的设计

                        由图2所示，本文设计的阿基米德螺旋天线由圆形双臂螺旋天线、反射腔和馈电巴伦组成。用印刷电路很容易实现天线的加工。
       

               

       

                图2  螺旋天线组合

                         
                        3.1  微带螺旋天线的分析和设计

                        阿基米德螺旋天线的两个螺旋臂方程是：
                                 
                              
                        式中 为起始矢径，a为增长率， 为角度变量。
                         
                        本文采用Rogers公司5880微带片，天线螺旋臂的宽度W1等于螺旋金属臂之间的宽度W2，形成互补天线。螺旋天线的直径大于12mm。
                        螺旋增长率表达式为：
                       
                        螺旋天线的最大直径D表达式：
                       
                         
                        3.2  反射腔的分析和设计

                        带反射腔的螺旋天线可以实现单向辐射，其效果类似带反射板的偶极子天线。偶极子天线的轴向增益大小与 成正比，式中d为偶极子天线到反射板的空间距离。因此，当反射腔深度d=λ/4时，螺旋天线的增益达到最大，当d=λ/2时，螺旋天线的增益最小（相应会出现主瓣从中间分裂，出现无增益点）。
                         
                        实验证明[3]：反射腔的直径应该等于螺旋天线的直径。反射腔的直径偏小会降低增益、增加电压驻波比、增加椭圆率。反射腔直径偏大，会使方向图畸变。在具体设计中，根据增益要求和仿真设计，反射腔深度约取中心频率的四分之一波长。
                         
                        3.3  宽带馈电巴伦的分析和设计

                        为了实现8-18GHz频带内信号源到天线功率转换最大，必须做到：
                        1）输入端与负载端良好的匹配；
                        2）输入端反射尽可能的小。
                         
                        由于平面螺旋天线是平衡对称结构，所以馈电方式也应该采用平衡馈电方式。我们采用同轴阻抗变换器馈电，其特性阻抗是连续变换的，并兼有平衡馈电方式，是切比雪夫渐变线阻抗变换器的方式之一。
                 
                        如图3所示，在同轴线的外导体上纵向切口，以渐变的方式改变特性阻抗图中2a为纵向切割渐变的角度。k1和k2点分别与螺旋天线的两臂始端馈电（类似平行线馈电），根据阻抗变换比Z2/Z1，由频带内最长波长λmax和允许的最大反射系数 ，可以求出切口的纵向长度L：
       

               

       

                图3  同轴巴伦

                         
                       
                         
                        根据文中提出的螺旋天线组合设计，注意L的长度应小于反射腔的深度d，以保证馈电巴伦从反射腔背面凿孔进入馈电时，整体组合的紧密完整性和可靠性。组合请见图4。
       

               

       

                图4  螺旋天线组合截面

                         
                        4  测试结果与分析

                        运用高频电磁仿真软件HFSS仿真，用矢网测试，图（5）分别为回波损耗的仿真和测试结果：
       

               

       

                图5  回波损耗

                         
                        由图5中结果可以看出在8-18GHz频段内，实测回波损耗是符合设计要求的（RL<-10dB）。低频段(8-14GHz)的实测结果和仿真结果吻合较好，在高频段（14-18GHz）实测结果要优于仿真结果，可能是由于反射腔与半钢电缆结合处用导电胶粘合密封导致的结果。
                 
                        在微波暗室对天线的增益，方向图进行了测量，测试结果如图(6),图(7)所示。
                        图（6）为8-18GHz频段内，主瓣峰值增益的仿真和测试曲线。实测结果比仿真结果偏小。
       

               

       

                图6  8-18GHz增益

       

               

       

                （a）

       

               

       

                (b)

       

               

       

                (c)

       

               

       

                (d)

       

                图7  螺旋天线归一化方向图

                        5  结论

                        设计并测试了8-18GHz超宽带阿基米德螺旋天线组合。测试结果显示，反射腔体有利于实现天线的单向辐射；同轴巴伦的设计，有利于实现平衡-不平衡转换和阻抗匹配。仿真和测试结果吻合较好，基本符合设计要求。