一种新型曲折臂阿基米德螺旋天线

第 32 卷 第 9 期 2010 年 9 月 现 代 雷 达 Modern Radar Vol． 32 No． 9 Sep． 2010 ·天馈伺系统· 中图分类号:TN823 + ． 31 文献标志码:A 文章编号:1004 － 7859(2010)09 － 0067 － 03 一种新型曲折臂阿基米德螺旋天线 王亚伟，王光明，张晨新，俞忠武 (空军工程大学导弹学院， 陕西 三原 713800) 摘要:提出了一种新型曲折臂阿基米德螺旋天线结构———正弦波曲折臂阿基米德螺旋天线。在阿基米德螺旋线中加入正 弦波可以在螺旋线半径一定的情况下更好地延长天线臂的电长度，提高天线的小型化程度，并有助于保持传统阿基米德 螺旋天线优良的辐射特性。仿真和测量结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:在 2 GHz ～ 10 GHz的频率范围内，与传统的阿基米德螺旋天线相比，正 弦波曲折臂阿基米德螺旋天线口径面积减少了 47%。 关键词:阿基米德螺旋天线;正弦波曲折臂;天线小型化 A Novel Meander Archimedean Spiral Antenna WANG Ya-wei，WANG Guang-ming，ZHANG Chen-xin，YU Zhong-wu (Missile Institute Air Force Engineering University， Sanyuan 713800，China) Abstract:In this paper，a novel sine-wave meander Archimedean spiral antenna is presented． Addition of sine-wave into Archime- dean helix will prolong the electrical length of an antenna arm with a given radius of helix，which will enhance antenna miniaturiza- tion and maintain excellent radiation property of Archimedean spiral antenna． Simulation and measurement results show that:in 2 GHz ～ 10 GHz frequency range，a sine-wave meander Archimedean spiral antenna has a 47% -off aperture in comparison with con- ventional Archimedean spiral antenna． Key words:Archimedean spiral antenna;sino-wave meander;antenna miniaturization 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60971118) 通信作者:王亚伟 Email:wywafeu@ 163． com 收稿日期:2010-05-22 修订日期:2010-08-19 0 引 言 20 世纪 50 年代 Rumsery 提出了非频变理论，在 此基础上人们设计了阿基米德螺旋天线。阿基米德螺 旋天线在较宽的频带内有良好的阻抗特性、方向图特 性、增益特性和圆极化特性，但是阿基米德螺旋天线的 尺寸取决于工作带宽低端频率对应的波长。因此，工 作在低频的传统阿基米德螺旋天线尺寸较大，难以满 足一些实际应用的需要，天线的小型化设计也就具有 了非常重要的现实意义。 实现阿基米德螺旋天线的小型化有多种方 法［1 － 5］，其中文献［4］提出在天线终端采用曲折臂的 方式较为有效，进而文献［5］提出在阿基米德螺旋天 线终端加入方波形曲折臂。在与锯齿波曲折臂比较 后，文献［6］对终端加入方波曲折臂的阿基米德螺旋 天线作了进一步研究，并最终使天线的口径面积减少 了 27%。 本文设计了一种正弦波曲折臂形式的阿基米德螺 旋天线，更好地实现了阿基米德螺旋天线的小型化。 利用 CST软件对天线进行了仿真设计与结构优化，并 对天线的电特性进行了测量。 1 天线设计 1． 1 天线结构 本文所研究的天线工作带宽为 2 GHz ～ 10 GHz， 低频端和高频端对应的波长分别为 λmax = 150 mm， λmin = 30 mm。依据阿基米德螺旋天线的设计准则，天 线的外径 R0 应当满足 2 πR0≥1． 5λmax，螺旋线的起始 半径 r0 要满足 2r0≤λmin /4。 由非频变天线的辐射原理可知:阿基米德螺旋天 线是分区辐射的，在不同的工作频点处，天线的辐射主 要集中在 r = λ /2π 的螺旋线附近(即有效辐射带)。 基于分形天线［7］和弯折天线［8］的设计思路对天线臂 作曲折处理能够在半径一定的情况下延长辐射带的电 长度，从而使得辐射带对应的工作频率降低，实现小型 化。 本文提出了一种新的曲折臂方式—正弦波曲折臂 方式，天线结构如图 1 所示。与方波和三角波相比，正 弦波在相同的周期和振幅下能获得更长的曲线长 度，因而在阿基米德螺旋线中加入正弦波能更好地提 高阿基米德螺旋天线的小型化程度。 —76— 图 1 正弦波曲折臂阿基米德螺旋天线 为了在天线馈电处获得与频率无关的输入阻抗， 本文设计的天线采用互补结构。另外，为了让天线的 工作频带能够相对均匀并且同步地向低频移动，并保 证天线的高频特性，天线的第 1 圈仍然采用传统的阿 基米德螺旋线，从第 2 圈开始对阿基米德螺旋线作正 弦波曲折处理，正弦波振幅由 0 ～ a随螺旋角度的增加 作线性变化。 在此天线结构中，螺旋线的起始半径影响天线的 馈电性能［9］，而正弦波的振幅 a 与每圈螺旋线所含正 弦波的周期数 n是影响天线小型化程度及其辐射性能 的关键因素，通过仿真比较各种情况下天线辐射带的 分布及天线的辐射特性，确定天线的结构尺寸如下:螺 旋线起始半径 r0 = 0． 5 mm，输入阻抗为 120 Ω，天线臂 宽和相邻两臂间隔均为 1 mm，螺旋线圈数为 6，正弦 波振幅 a = 1 mm，每圈含有正弦波周期周期数 n = 40， 天线的最终半径 R0 = 27 mm，制作的天线实物如图 2 所示。 图 2 天线实物照片 1． 2 宽频带巴伦及背腔结构 阿基米德螺旋天线的结构是平衡对称的，所以经 常采用由不平衡到平衡的阻抗变换巴伦对天线馈电。 为简化馈电结构，本文所用巴伦为双面微带线指数渐 变巴伦，如图 3 所示，地板和微带线均采用指数渐变的 方式，从而使得巴伦由不平衡的微带线结构逐渐过渡 到能够平衡馈电的平行双线结构。巴伦设计时采用介 电常数 εr = 2． 65，厚度 h = 1 mm 的介质板，巴伦长宽 分别为:L = 27 mm，W = 10 mm 实现不平衡端 50 Ω 阻 抗向平衡端 120 Ω阻抗的变换。 图 3 指数渐变的微带线—双线结构 由于本文分析的重点是天线的小型化设计，为了 不对天线的辐射性能产生较大影响，将采用内部填充 有吸波材料的背腔来实现天线的单向辐射。 2 测量与分析 作为平衡 －不平衡转换器，巴伦有其特殊的结构 和功能。因而测试时需将 2 个巴伦的高阻抗端对接， 使得整个结构实现了不平衡 －平衡 －不平衡的转换， 且两端特性阻抗均为 50 Ω，这样就可以用矢量网络分 析仪测试其端口反射特性和传输特性，测试结果如图 4所示。从测量结果可以看出，在天线的工作频带 2 GHz ～ 10 GHz内传输系数小于 1 dB，由于对接后巴 伦的损耗是原有的 2 倍，再考虑到同轴接头带来的衰 减，因而本文设计及加工的巴伦在要求的工作频带内 能够很好地满足天线需要。 图 4 对接巴伦实物照片及其传输系数 | S21 |的测量结果 完成天线、巴伦及反射背腔的装配后天线直径为 54 mm，高为 27 mm。在 1 GHz ～ 11 GHz 范围内对天 线进行测量，图 5a所示为装配后天线回波损耗的仿真 及测量结果。 在图5 a中可以看到，测试结果中低端频率为 1． 625 GHz，仿真结果低端频率为 1． 5 GHz，在设计所 需的频带 2 GHz ～ 10 GHz范围内天线的回波损耗全部 都在 － 10 dB 以下，因而测量与仿真结果吻合较好。 另外还对天线的轴比进行了测量，图 5b为有限频点处 天线在主辐射方向上轴比的仿真结果及测量结果，由 图 5b可以看出天线轴比带宽的低端频率为 2 GHz，这 也就决定了天线的下限工作频率。因此，在工作频带 —86— 2010，32(9) 现 代 雷 达 内正弦波曲折臂阿基米德螺旋天线口径面积比传统阿 基米德螺旋天线口径面积减少了 47%，而文献［6］设 计的方波曲折臂螺旋天线口径面积仅减少了 27%，这 就证明了所提出天线结构的合理性及小型化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的有 效性。图 6 为天线辐射方向图测试结果与仿真结果。 图 5 天线的仿真值与测量值 图 6 天线辐射方向图 3 结束语 本文提出的阿基米德螺旋天线曲折臂的方法有效 地实现了天线的小型化，在 2 GHz ～ 10 GHz 的工作频 带内使天线的面积减少了 47%，并且较好地保持了传 统阿基米德螺旋天线优良的辐射特性。仿真结果和测 试结果吻合良好，证明了曲折臂螺旋天线小型化理论 的正确性及本文在正弦波曲折臂阿基米德螺旋设计分 析的合理性。 参 考 文 献 ［1］ 宋朝辉，李红梅，邱景辉．一种小型化宽频带螺旋天线的 数值分析与实验［J］．电波科学学报，2009，24(1) :174 － 178． Song Zhaohui，Li Hongmei，Qiu Jinghui． Numerical analysis and experiment of a miniaturization ultral-wideband spiral antenna［J］． Chinese Journal of Radio Science，2009，24 (1) :174 － 178． ［2］ 朱玉晓，钟顺时，许赛卿，等．小型化超宽带槽螺旋天线设 计［J］．微波学报，2009，25(1) :39 － 41． Zhu Yuxiao，Zhong Shunshi，Xu Saiqing，et al． Design of min- iaturized super-broadband slot spiral antenna［J］． Journal of Microwaves，2009，25(1) :39 － 41． ［3］ Nurnberger M W，Volakis J L． New termination for ultrawide － band slot spirals［J］． IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50(1) :82 － 85． ［4］ Broad band spiral and sinuous antennas［P］． Great Britian． European Patent Application． EP1026777(A2)． 2000． ［5］ Nakano H． A meander spiral antenna［C］/ / IEEE Antennas and Propagation Society Symposium．［S． l．］:IEEE Press， 2004． ［6］ 宋朝辉，李红梅，杨汉瑛，等．曲折臂形式的阿基米德螺旋 天线小型化研究［J］．微波学报，2009，25(2) :53 － 57． Song Zhaohui，Li Hongmei，Yang Hanying，et al． Study on a miniaturized meander archimedean spiral antenna［J］． Joural of Microwaves，2009，25(2) :53 － 57． ［7］ 耿 林，张晨新． 一种新型分形印刷折合振子的设计 ［J］． 现代雷达，2010，32(1) :74 － 76． Gen Lin，Zhang Chenxin． Design of a novel fractal printed folded dipole［J］． Modern Radar，2010，32(1) :74 － 76． ［8］ 王晓川，吕文中，梁 飞，等． 弯折线天线原理、结构及其 研究进展［J］． 现代雷达，2010，32(3) :66 － 72． Wang Xiaochuan，Lv Wenzhong，Liang Fei，et al． Theory and structures of meander-line antenna and its progress［J］． Modern Radar，2010，32(3) :66 － 72． ［9］ Hisamatsu Nakano，Tatsuya Igarashi，Hiroshi Oyanagi，et al． Unbalanced-mode spiral antenna backed by an extremely shallow cavity［J］． IEEE Transactions on Antennas and Prop- agation，2009，57(6) :1625 － 1633． 王亚伟 男，1987 年生，硕士研究生。研究方向为电磁辐 射与电磁散射等。 王光明 男，1964 年生，博士，教授。研究方向为微波电路 与系统，电磁辐射与散射等。 张晨新 男，1969 年生，博士，教授。研究方向为天线、微 波毫米波电路等。 俞忠武 男，1984 年生，博士研究生。研究方向为微波电 路与系统。 —96— ·天馈伺系统· 王亚伟，等:一种新型曲折臂阿基米德螺旋天线 2010，32(9) wrbdy 高亮 wrbdy 注释 怎么减小了47%了？没比较怎么得来的结论？