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      一種共形寬帶圓極化螺旋天線的設計?

      2011-04-02 14:00:37劉宗全錢祖平韓振平
      電訊技術 2011年11期
      關鍵詞:軸比圓極化饋電

      劉宗全,錢祖平,2,韓振平

      (1.解放軍理工大學,南京210007;2.東南大學毫米波國家重點實驗室,南京210096)

      一種共形寬帶圓極化螺旋天線的設計?

      劉宗全1,錢祖平1,2,韓振平1

      (1.解放軍理工大學,南京210007;2.東南大學毫米波國家重點實驗室,南京210096)

      為滿足共形天線低剖面特性的要求,設計并制作了一種低剖面的圓極化阿基米德螺旋天線。天線利用單臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圓極化輻射,并采用同軸探針饋電。實測結(jié)果表明,天線在2~11.4 GHz的頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB,軸比小于3 dB的頻率范圍為2.5~8.4 GHz。該天線結(jié)構(gòu)簡單,工作頻帶寬,且剖面極低,可作為多種載體的共形天線使用。

      共形天線;圓極化;平面螺旋;寬帶;低剖面

      1 引言

      平面螺旋天線由于其結(jié)構(gòu)的自相似性,具有超寬的頻帶、穩(wěn)定的增益以及較低的軸比,在現(xiàn)代通信中有著廣泛的應用[1]。阿基米德螺旋天線作為平面螺旋天線的一種形式,在結(jié)構(gòu)上一般有單臂、雙臂和四臂幾種。對于雙臂或四臂螺旋天線來說,由于天線在結(jié)構(gòu)上是對稱的,必須采用平衡饋電方式——巴倫。文獻[2]設計了一種用EBG和金屬地混合結(jié)構(gòu)作反射腔的雙臂螺旋天線,雖然背腔高度不高,但由于巴倫結(jié)構(gòu)的存在,使天線總的剖面較高。文獻[3,4]利用指數(shù)漸變的微帶線——雙線結(jié)構(gòu)進行饋電,設計出了小型阿基米德螺旋天線。文獻[5]則是利用四等分饋電網(wǎng)絡和阻性終端負載,設計出低剖面的四臂阿基米德螺旋天線。以上的多臂螺旋天線的饋電部分使得天線剖面較高或者設計復雜,而采用單臂螺旋天線則能克服上述缺點[6,7]。其中文獻[7]通過對單臂螺旋天線背腔填充吸收材料,使天線單向輻射的同時實現(xiàn)了低剖面,同時對不加背腔的單臂螺旋天線的理想模型作了理論分析。

      由于文獻[7]的單臂螺旋天線的理想模型中的介質(zhì)材料為空氣,結(jié)構(gòu)上不夠穩(wěn)固,實際用途不大。本文在此基礎上,討論了低剖面的單臂螺旋天線的設計與制作,一方面驗證了前面理論分析的正確性,另一方面將該天線的理想模型實用化。仿真和測量結(jié)果表明,設計的天線具有良好的寬帶特性和穩(wěn)定增益,證明了設計的有效性。由于所設計的天線厚度僅為1mm,總的半徑為30mm,實現(xiàn)了極低剖面的要求,而且結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,能夠滿足共形天線應用場合的需要。

      2 天線設計

      2.1 工作原理

      天線的極坐標方程為r=r0φ,其中r0為旋轉(zhuǎn)增長率,φ為幅角,用弧度表示。天線的有效輻射區(qū)位于r=λ/2π的螺線段上,而在有效輻射區(qū)外,電流變得很小,基本上沒有輻射。有效輻射區(qū)與波長有關,其位置會隨頻率在天線上移動,由于螺線的幾何形狀是光滑的,因此當頻率變低、有效輻射區(qū)離螺線中心較遠時,其性能變化不大。天線工作的高頻和低頻段由螺旋最小半徑rmin和最大半徑rmax決定。天線的周長C=2πrmax。在輻射區(qū)內(nèi),沿著螺線相差四分之一波長的兩點相位相差90°,而此時電流方向是相互垂直的,電流的大小也幾乎相等,因此滿足了產(chǎn)生圓極化波的條件。螺線的繞向決定了輻射圓極化波的旋向。

      2.2 天線結(jié)構(gòu)

      天線采用單臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋線和地板分別印刷在介質(zhì)基板的兩側(cè)。介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.55,總半徑R1=30mm,厚度H=1mm。旋轉(zhuǎn)增長率r0=0.64mm/rad,起始幅角為φ1= π/2 rad,最大幅角為φ2=13πrad,天線臂寬為D=

      2mm。饋電部分采用同軸探針直接饋電。因此相對于通常饋電結(jié)構(gòu)——巴倫,饋電部分的設計得到較大簡化。同軸線外導體接地板,內(nèi)導體穿過介質(zhì)板連接至螺旋臂上。地板半徑R2=5mm,其中心偏置位于螺旋起始位置下方。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      3 仿真與測量結(jié)果分析

      利用軟件HFSS10.0進行仿真設計,并根據(jù)仿真結(jié)果得到的天線設計參數(shù)制作了天線實物,如圖2所示。

      用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的S參數(shù)進行了測量,仿真和測量結(jié)果如圖3所示。測量結(jié)果表面,天線在2~11.4 GHz的頻率范圍內(nèi),回波損耗小于-10 dB。圖4給出的是軸比隨頻率變化測試曲線。從中可以看出,實測的天線軸比(<3 dB)帶寬范圍為2.5~8.4 GHz。天線在小于2 GHz和大于8.5 GHz

      時,軸比性能惡化嚴重。這是因為,當工作頻率低于2 GHz時,即工作波長大于150mm,對應的有效輻射區(qū)螺旋段周長為150mm,半徑約為24mm,而該天線最大半徑為rnzx=r0φ2=26mm,有效輻射區(qū)接近天線尾部邊緣甚至不在天線上,也就不能輻射良好的圓極化波。對于工作頻率高于8.5 GHz時,此時對應的工作波長小于35mm,對應半徑約為5mm,而接地板半徑也為5mm,也就是說有效輻射區(qū)位于接地板范圍內(nèi),這使得接地板引起的鏡像電流對天線上的電流產(chǎn)生擾動,破壞了天線表面原有的行波電流分布,從而使軸比惡化。

      圖5為天線的實測歸一化方向圖。圖5(a)、(b)、(c)分別為2.5 GHz、6 GHz和8.5 GHz的輻射方向圖。圖5(a)、(b)的方向圖比較穩(wěn)定,最大輻射方向位于正z軸方向,當工作頻率為8.5 GHz時,天線最大輻射方向發(fā)生偏離,且有波瓣分裂的趨勢,此時背向輻射較正z軸方向大。這是因為此時地板的反射對天線上電流產(chǎn)生擾動,同時由于天線本身不是關于z軸對稱,造成這種擾動也不對稱,繼而影響輻射方向圖。

      圖6給出的是天線方向系數(shù)隨頻率變化曲線圖。從圖中可以看出,天線在中心頻點附近(3.5~7.5 GHz)的頻帶內(nèi),方向系數(shù)變化較為穩(wěn)定。當天線頻率大于7.5 GHz時,變化較劇烈。這可以從圖5的方向圖變化得到解釋。因為當頻率越大(比如大于7.5 GHz),有效輻射區(qū)越接近地板的反射區(qū)范圍,此時方向圖受到的影響越劇烈,包括波瓣分裂、最大輻射方向偏離等,這些都會導致方向系數(shù)的降低。

      4 天線參數(shù)的性能影響分析

      4.1 接地板半徑

      接地板的存在擾亂了天線表面電流分布,破壞了螺旋天線非頻變的特性,因此接地板尺寸對天線性能有著重要影響。圖7給出的是接地板半徑R2對天線回波損耗和軸比的影響。從圖中可以看出,當半徑為3mm時,回波損耗以及在低頻處的軸比較差,這可能是因為此時地板半徑過小,對連接在地板上的同軸線外導體電流分布影響較大,從而直接影響到回波損耗和軸比性能。當?shù)匕灏霃綖?mm時,回波損耗得到改善,而軸比性能較差,原因同樣可解釋為:此時反射區(qū)的變大,對天線電流分布影響范圍增大,而天線上每段區(qū)域?qū)鄳墓ぷ黝l率,這樣就使得整個頻帶軸比惡化。

      4.2 天線臂寬

      螺旋天線的關鍵參數(shù)是旋轉(zhuǎn)增長率,當作為微帶結(jié)構(gòu)印刷在介質(zhì)板上后,其臂寬成為天線的重要參數(shù)之一,因為它直接影響了天線的阻抗匹配性能,進而影響其它參數(shù)性能。圖8給出的是臂寬D對天線回波損耗和軸比的影響。從圖中可以看出,臂寬D對天線的影響較大。當天線臂寬越寬時,回波損耗和軸比性能變得較差。這是因為,當臂寬增加時,臂間距縮小,使得相互間的耦合增加,從而使天線的各種性能變差。

      5 結(jié)論

      本文設計并制作了一種低剖面的寬帶圓極化螺旋天線,驗證了單臂螺旋天線設計理論的有效性。仿真與實測結(jié)果表明,天線有著良好的阻抗帶寬和圓極化帶寬,在工作頻帶內(nèi)增益穩(wěn)定。對天線性能參數(shù)的分析研究表明,天線地板半徑和螺旋臂對天線性能的有較大影響。該天線結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,而且剖面極低,厚度僅為1mm,可共形于飛行器或其它氣動結(jié)構(gòu)表面。

      [1]Kraus JD,Marhefka R J.Antennas for allapplications[M]. 3rd ed.New York:McGraw Hill,2002.

      [2]Liu Chun-heng,Lu Yue-guang,Du Chun-lei,et al. The Broadband Spiral Antenna Design Based on Hybrid Backed-Cavity[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,58(5),2010:1876-1882.

      [3]王亞偉,王光明,張晨新,等.一種新型曲折臂阿基米德螺旋天線[J].現(xiàn)代雷達,2010,32(9):67-69.

      WANG Ya-wei,WANG Guang-ming,ZHANG Chenxin,et al.A Novel Meander Archimedean Spiral Antenna[J].Modern Radar,2010,32(9):67-69.(in Chinese)

      [4]朱玉曉,鐘順時,許賽卿,等.小型化平面螺旋天線及其寬頻帶巴倫的設計[J].上海大學學報(自然科學版),2008,14(6):581-584.

      ZHU Yu-xiao,ZHONG Shun-shi,XU Sai-qing,et al. Design of Miniaturized Planar Spiral Antenna and Its Wideband Balun[J].Journal of Shanghai University(Natural Science),2008,14(6):581-584.(in Chinese)

      [5]景小東,張福順,焦永昌.一種低剖面平面螺旋天線的設計[J].空間電子技術,2008,5(1):47-50.

      JING Xiao-dong,ZHANG Fu-shun,JIAO Yong-chang. Design of a low-profile planar spiral antenna[J].Space Electronic Technology,2008,5(1):47-50.(in Chinese)

      [6]Mehrabani A M,Shafai L.Low Profile Offset-fed Single Arm Spiral Antenna over an AMC Ground Plane[C]//Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Toronto,Canada:IEEE,2010:1-4.

      [7]Hisamatsu Nakano,Ryohei Satake,Junji Yamauchi.Extremely Low-Profile,Single-Arm,Wideband Spiral Antenna Radiating a Circularly Polarized Wave[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,58(5),2010:1511-1520.

      LIU Zong-quan was born in Chaohu,Anhui Province,in 1984.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2006.He isnow a graduate student.His research direction ismicrostrip antenna technology.

      Email:zongquan1984@163.com

      錢祖平(1961—),男,江蘇海門人,2000年于東南大學獲博士學位,現(xiàn)為解放軍理工大學教授、博士生導師,主要研究方向為計算電磁學、微波技術、天線技術等;

      QIAN Zu-ping was born in Haimen,Jiangsu Province,in 1961.He received the Ph.D.degree from Southeast University in 2000.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include computational electromagnetism,technology ofmicrowave and antenna.

      Email:qzp811@sina.com

      韓振平(1986—),男,山西陽泉人,2009年于西安電子科技大學獲學士學位,現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生,主要研究方向為天線理論與設計。

      HAN Zhen-ping was born in Yangquan,Shanxi Province,in 1986.He received the B.S.degree from Xidian University in 2009. He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design.

      Email:15995978982@163.com

      Design of a Conformal Wideband Circularly Polarized Spiral Antenna

      LIU Zong-quan1,QIAN Zu-ping1,2,HAN Zhen-ping1
      (1.PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China;2.State Key Laboratory of MillimeterWaves,Southeast University,Nanjing 210096,China)

      In order tomeet the demand of low-profile property of conformal antenna,a low-profile circularly polarized Archimedean spiral antenna is designed and manufactured.The antenna realizes circular polarization by single Archimedean spiralarm which is fed by coaxial line.Themeasured results show that in 2~11.4 GHz the return loss is less than-10 dB.The bandwidth for AR(axial ratio)<3 dB is 2.5~8.4 GHz.The antenna configuration is simplewith wide bandwidth and especially its profile is extremely low.Therefore it can be used as conformal antenna formany kinds of carriers.

      conformal antenna;circular polarization;planar spiral;wideband;low-profile

      The National Natural Science Foundation of China(No.60872046)

      TN82

      A

      10.3969/j.issn.1001-893x.2011.11.019

      劉宗全(1984—),男,安徽巢湖人,2006年于空軍工程大學獲學士學位,現(xiàn)為解放軍理工大學碩士研究生,主要研究方向為微帶天線技術;

      1001-893X(2011)11-0094-05

      2011-06-20;

      2011-08-30

      國家自然科學基金資助項目(60872046)

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