超宽带复合平面螺旋天线
时间：10-02
整理：3721RD
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摘 要：本文设计一种用于毫米波段的超宽带平面螺旋天线,由平面等角螺旋和阿基米德螺旋构成的复合螺旋天线具有良好的宽频带特性。天线带宽是5：1（8GHz-40GHz），驻波比为2：1，增益大于3dBi，圆极化轴比小于3dB，天线面直径为20mm，同时设计巴伦实现平衡馈电，测试结果显示该天线满足系统需求。
0 引言近年随着电子系统带宽的增加，宽带微波器件的需求与日俱增，而天线在无线系统中有不可替代的作用。在超宽带数字接收机中传统方法需要多天线实现收发功能，本文所研究的超宽复合平面螺旋天线正是基于这一需求而设计，用单个天线实现宽带收发功能。宽带天线设计中非频变天线有重要研究意义，通常将方向图和阻抗特性不随频率变化而变化的天线称作非频变天线[1]。非频变天线的几何形状完全由角度规定，因此结构为无限长，但是实际应用中天线结构总是有限长度，这就要求电流随离开输入端距离减小，在电流减小到可以忽略的位置将天线截断。平面螺旋天线正是利用这一原理实现超宽带特性，同时平面等角螺旋天线具有良好的高频特性和较低损耗，阿基米德螺旋天线具有良好的低频特性，本文结合平面等角螺旋和阿基米德螺旋的优点设计了超宽带的圆极化天线。当然由于天线工作频率高，带宽宽，天线结构实现以及馈电难度都较大，因此本文从理论计算，仿真设计，实现及测试进行详细分析。1 天线结构与工作原理
平面等角螺旋天线一臂由两条平面等角螺旋边缘线构成，其中一条边缘线由另外一条旋转角而成，平面等角螺旋天线方程，
复合螺旋天线由两臂构成，两臂离输入端口近端采用平面等角螺旋，远端采用阿基米德螺旋，天线结构如图1 所示
图1 中所示复合螺旋天线单臂的两条边缘线由其中一条边缘线旋转 π/2而得，再由此臂旋转180 度得到另一臂，此时臂宽和臂间缝隙宽度相等成为自补结构，自补复合螺旋天线具有最好对称性。自补结构是互补结构的特殊形式，若天线和其互补结构相同成为自补，由Babinet 原理证明自补天线输入阻抗为188.5欧。同时自补天线输入阻抗是非频变的，由此可见平面螺旋输入阻抗具有宽频带特性。螺旋天线表面电流产生辐射场，当相邻螺旋线电流同相时辐射场加强，有最大辐射，反相时辐射场抵消，辐射为零。对于平面螺旋天线，主辐射场集中在周长为一个波长的位置，不同频率信号的主辐射场随频率由高到低远离馈电点，此时为一阶模辐射[3]。随频率变化，主辐射区发生改变，但是天线方向图保持不变，因此平面螺旋天线具有良好的方向图宽带特性。平面等角螺旋阿法减小时，螺旋臂曲度变大，电流衰减变快，实际设计中取值一般0.12 1.20 之间，典型值为0.221；螺旋线根据带宽要求一般选0.5 到3 匝，在此范围内螺旋线对参数和不敏感，在1.5 匝左右最佳；平面等角螺旋天线起始
2 巴伦
3 天线设计与测试根据上述理论计算出天线结构尺寸的初始值，然后利用HFSS 仿真软件最终研制了一款超宽带平衡馈电复合平面螺旋天线，工作频率为8GHz-40GHz 。天线基板采用Rogers-5880 ， 厚度为1mm，基板直径为20mm，螺旋线起始半径与最高工作频率波长相关，平面等角螺旋稍大于1.5 匝，阿基米德螺旋为5 匝（单臂）；巴伦基板材料为Rogers-5880，厚度由螺旋天线起始半径决定，长度为20mm，输入端为50欧微带线，输出端线宽根据实际测量天线阻抗最终确定；天线整体剖面高度在35mm（包括连接器）。图3 为天线实物，一般可以通过在天线背面加反射腔提高增益[4]，本文采用吸波材料吸收背瓣。天线驻波用AV3629 矢量网络分析仪测量，测试结果如图4 所示
天线方向图测试如下，由于带宽较宽，因此抽取若干频率点测试。天线最终方案中采用吸波材料吸收天线背瓣辐射，因此测试天线方向图时扫描Theta 角-90 度到90 度，Phi 角保持0 度不变。
复合平面螺旋天线轴比测试结果如表1。
4 结论测试结果来看天线驻波以及方向图可以满足设计要求；天线轴比由于测试条件的限制，通过调整发射喇叭的角度测试不同角度下螺旋天线方向图，最后通过计算得出轴比，轴比基本满足设计要求。因此综合来看复合平面螺旋天线基本符合系统要求。作者：盛家坤 李小玲 文春华 徐利军 中电41所
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射频百花潭专注于射频微波/高频高速领域技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已40000人关注，10000人加群，博士2000人以上，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频微波/高频高速PCB设计与仿真、技术咨询，请联系群主： 15989459034 xxf@chinafastprint.com。
0 引言近年随着电子系统带宽的增加，宽带微波器件的需求与日俱增，而天线在无线系统中有不可替代的作用。在超宽带数字接收机中传统方法需要多天线实现收发功能，本文所研究的超宽复合平面螺旋天线正是基于这一需求而设计，用单个天线实现宽带收发功能。宽带天线设计中非频变天线有重要研究意义，通常将方向图和阻抗特性不随频率变化而变化的天线称作非频变天线[1]。非频变天线的几何形状完全由角度规定，因此结构为无限长，但是实际应用中天线结构总是有限长度，这就要求电流随离开输入端距离减小，在电流减小到可以忽略的位置将天线截断。平面螺旋天线正是利用这一原理实现超宽带特性，同时平面等角螺旋天线具有良好的高频特性和较低损耗，阿基米德螺旋天线具有良好的低频特性，本文结合平面等角螺旋和阿基米德螺旋的优点设计了超宽带的圆极化天线。当然由于天线工作频率高，带宽宽，天线结构实现以及馈电难度都较大，因此本文从理论计算，仿真设计，实现及测试进行详细分析。1 天线结构与工作原理平面等角螺旋天线一臂由两条平面等角螺旋边缘线构成，其中一条边缘线由另外一条旋转角而成，平面等角螺旋天线方程，复合螺旋天线由两臂构成，两臂离输入端口近端采用平面等角螺旋，远端采用阿基米德螺旋，天线结构如图1 所示图1 中所示复合螺旋天线单臂的两条边缘线由其中一条边缘线旋转 π/2而得，再由此臂旋转180 度得到另一臂，此时臂宽和臂间缝隙宽度相等成为自补结构，自补复合螺旋天线具有最好对称性。自补结构是互补结构的特殊形式，若天线和其互补结构相同成为自补，由Babinet 原理证明自补天线输入阻抗为188.5欧。同时自补天线输入阻抗是非频变的，由此可见平面螺旋输入阻抗具有宽频带特性。螺旋天线表面电流产生辐射场，当相邻螺旋线电流同相时辐射场加强，有最大辐射，反相时辐射场抵消，辐射为零。对于平面螺旋天线，主辐射场集中在周长为一个波长的位置，不同频率信号的主辐射场随频率由高到低远离馈电点，此时为一阶模辐射[3]。随频率变化，主辐射区发生改变，但是天线方向图保持不变，因此平面螺旋天线具有良好的方向图宽带特性。平面等角螺旋阿法减小时，螺旋臂曲度变大，电流衰减变快，实际设计中取值一般0.12 1.20 之间，典型值为0.221；螺旋线根据带宽要求一般选0.5 到3 匝，在此范围内螺旋线对参数和不敏感，在1.5 匝左右最佳；平面等角螺旋天线起始2 巴伦3 天线设计与测试根据上述理论计算出天线结构尺寸的初始值，然后利用HFSS 仿真软件最终研制了一款超宽带平衡馈电复合平面螺旋天线，工作频率为8GHz-40GHz 。天线基板采用Rogers-5880 ， 厚度为1mm，基板直径为20mm，螺旋线起始半径与最高工作频率波长相关，平面等角螺旋稍大于1.5 匝，阿基米德螺旋为5 匝（单臂）；巴伦基板材料为Rogers-5880，厚度由螺旋天线起始半径决定，长度为20mm，输入端为50欧微带线，输出端线宽根据实际测量天线阻抗最终确定；天线整体剖面高度在35mm（包括连接器）。图3 为天线实物，一般可以通过在天线背面加反射腔提高增益[4]，本文采用吸波材料吸收背瓣。天线驻波用AV3629 矢量网络分析仪测量，测试结果如图4 所示天线方向图测试如下，由于带宽较宽，因此抽取若干频率点测试。天线最终方案中采用吸波材料吸收天线背瓣辐射，因此测试天线方向图时扫描Theta 角-90 度到90 度，Phi 角保持0 度不变。复合平面螺旋天线轴比测试结果如表1。4 结论测试结果来看天线驻波以及方向图可以满足设计要求；天线轴比由于测试条件的限制，通过调整发射喇叭的角度测试不同角度下螺旋天线方向图，最后通过计算得出轴比，轴比基本满足设计要求。因此综合来看复合平面螺旋天线基本符合系统要求。作者：盛家坤 李小玲 文春华 徐利军 中电41所微信万人群1.各群不要重复加入2.仅限射频相关人员加群主，注明：单位+方向射频百花潭关注中国最大的射频公众号射频百花潭专注于射频微波/高频高速领域技术分享和信息传递。由资深射频专家、深圳兴森快捷射频实验室主任、《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》主编徐兴福建立，该号已40000人关注，10000人加群，博士2000人以上，包括IEEE Fellow多名。PCB制板、射频微波/高频高速PCB设计与仿真、技术咨询，请联系群主： 15989459034 xxf@chinafastprint.com。
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