基于高阻抗表面的螺旋天線設(shè)計

韓曹政　唐晉生　李睿

摘 要： 利用高阻抗表面的同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，從而改善了天線增益，實現(xiàn)低剖面設(shè)計。仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)背腔式螺旋天線相比，增益穩(wěn)定性顯著提高。在3～12 GHz的工作頻段內(nèi)，駐波比小于2，阻抗匹配良好，輻射方向圖保持穩(wěn)定。在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

關(guān)鍵詞：高阻抗表面； 阿基米德螺旋天線； 寬帶； 低剖面； 圓極化

中圖分類號： TN823+.31?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0077?03

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和寬帶無線電設(shè)備的出現(xiàn)，超寬帶天線技術(shù)在遙測、宇航和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。平面螺旋天線，由于其結(jié)構(gòu)滿足非頻變原理，因而它們在寬頻帶范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性，增益特性以及圓極化等特點。而且平面螺旋天線為雙向輻射，為了實現(xiàn)單向輻射，通常在螺旋天線的一側(cè)加裝深度約為[λ4]的反射背腔，但這種方法會破壞原天線良好的圓極化性能，改變非頻變特性，增大天線輪廓。如果在反射腔內(nèi)填充適當(dāng)?shù)奈ú牧鲜蛊鋯蜗蜉椛?，這樣會導(dǎo)致天線輻射效率的降低。高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）由于在特定頻率范圍具有零相位反射的特點，因而可以將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)體反射板來設(shè)計低剖面天線[1?4]。但由于高阻抗表面相對窄的同相反射帶寬，限制了其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用。為改善增益、降低剖面，本文在螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域加載了高阻抗表面（HIS），仿真結(jié)果表明，天線在3～12 GHz的工作帶寬內(nèi)駐波比小于2，增益穩(wěn)定性明顯提升，主輻射方向軸比小于3 dB的頻帶寬度達(dá)到7.8 GHz。

1 傳統(tǒng)背腔式螺旋天線設(shè)計

2 加載高阻抗表面的螺旋天線設(shè)計

2.1 高阻抗表面簡介

高阻抗表面可分為有金屬過孔的蘑菇型和無過孔的共面高阻抗表面。當(dāng)平面波入射到高阻抗表面時，反射相位隨著頻率的增加，由180°～-180°連續(xù)變化，在諧振頻率處相位為0°。通常將反射相位在90°～-90°相應(yīng)的頻率范圍定義為高阻抗表面的同相帶寬，即在此頻帶內(nèi)可等效為人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC），因而可被用于設(shè)計天線反射板。此外，高阻抗表面對于沿其表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄒ渤尸F(xiàn)帶隙特性，應(yīng)用于印刷天線中能有效地抑制表面波在介質(zhì)基片中的傳播，從而對天線后向輻射的減小，天線陣單元間互耦的降低，以及效率和增益的提高有著明顯改善[7?10]。

2.2 高阻抗表面單元設(shè)計

考慮到加工和制作的方便，本文采用無過孔的共面高阻抗表面，即在背襯接地板的介質(zhì)表面上周期性印刷頻率選擇表面的金屬圖案，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它可以在一定頻率范圍內(nèi)等效為人工磁導(dǎo)體（AMC）。高阻抗表面蝕刻在厚度[h=]3 mm，相對介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基片上，周期單元貼片邊長[W=]8 mm，單元間隙[g=]1 mm，由電磁仿真軟件Ansoft HFSS得反射相位曲線如圖4所示。

3 結(jié) 論

為了實現(xiàn)高增益、低剖面的目的，本文利用高阻抗表面同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，天線口徑為84 mm，加背腔后的整體高度僅有8 mm。仿真分析表明：改進(jìn)后的螺旋天線增益較為平坦，平均增益為7 dB，阻抗匹配良好，在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，且輻射方向圖穩(wěn)定，能有效抑制后向輻射，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

參考文獻(xiàn)

[1] BELL J M， ISKANDER M F. A low?profile Archimedean spiral antenna using an EBG ground plane [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 223?226.

[2] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2691?2703.

[3] 徐琰，張謨杰.一種新穎的光子帶隙平面螺旋天線[J].電波科學(xué)學(xué)報，2005，20（6）：699?702.

[4] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. A low?profile circularly polarized curl antenna over an electromagnetic bandgap （EBG） surface [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2001， 31（4）： 264?267.

[5] 林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[6] 康行健.天線原理與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[7] SIEVENPIPER D， ZHANG Li?jun， BROAS R F J， et al. High?impedance electromagnetics surfaces with a forbidden frequency band [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[8] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Microstrip antennas integrated with electromagnetic bandgap （EBG） structure： a low mutual coupling design for array applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2936?2946.

[9] ELSHEAKH D N， ELSADEK H A， ABDALLAH E A， et al. Ultrawide bandwidth umbrella?shaped microstrip monopole antenna using spiral artificial magnetic conductor （SAMC） [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 1255?1258.

[10] PRAKASH P， ABEGAONKAR M P， BASU A， et al. Gain enhancement of a CPW?fed monopole antenna using polarization?insensitive AMC structure [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2013， 12： 1315?1318.

摘 要： 利用高阻抗表面的同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，從而改善了天線增益，實現(xiàn)低剖面設(shè)計。仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)背腔式螺旋天線相比，增益穩(wěn)定性顯著提高。在3～12 GHz的工作頻段內(nèi)，駐波比小于2，阻抗匹配良好，輻射方向圖保持穩(wěn)定。在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

關(guān)鍵詞：高阻抗表面； 阿基米德螺旋天線； 寬帶； 低剖面； 圓極化

中圖分類號： TN823+.31?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0077?03

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和寬帶無線電設(shè)備的出現(xiàn)，超寬帶天線技術(shù)在遙測、宇航和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。平面螺旋天線，由于其結(jié)構(gòu)滿足非頻變原理，因而它們在寬頻帶范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性，增益特性以及圓極化等特點。而且平面螺旋天線為雙向輻射，為了實現(xiàn)單向輻射，通常在螺旋天線的一側(cè)加裝深度約為[λ4]的反射背腔，但這種方法會破壞原天線良好的圓極化性能，改變非頻變特性，增大天線輪廓。如果在反射腔內(nèi)填充適當(dāng)?shù)奈ú牧鲜蛊鋯蜗蜉椛?，這樣會導(dǎo)致天線輻射效率的降低。高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）由于在特定頻率范圍具有零相位反射的特點，因而可以將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)體反射板來設(shè)計低剖面天線[1?4]。但由于高阻抗表面相對窄的同相反射帶寬，限制了其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用。為改善增益、降低剖面，本文在螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域加載了高阻抗表面（HIS），仿真結(jié)果表明，天線在3～12 GHz的工作帶寬內(nèi)駐波比小于2，增益穩(wěn)定性明顯提升，主輻射方向軸比小于3 dB的頻帶寬度達(dá)到7.8 GHz。

1 傳統(tǒng)背腔式螺旋天線設(shè)計

2 加載高阻抗表面的螺旋天線設(shè)計

2.1 高阻抗表面簡介

高阻抗表面可分為有金屬過孔的蘑菇型和無過孔的共面高阻抗表面。當(dāng)平面波入射到高阻抗表面時，反射相位隨著頻率的增加，由180°～-180°連續(xù)變化，在諧振頻率處相位為0°。通常將反射相位在90°～-90°相應(yīng)的頻率范圍定義為高阻抗表面的同相帶寬，即在此頻帶內(nèi)可等效為人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC），因而可被用于設(shè)計天線反射板。此外，高阻抗表面對于沿其表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄒ渤尸F(xiàn)帶隙特性，應(yīng)用于印刷天線中能有效地抑制表面波在介質(zhì)基片中的傳播，從而對天線后向輻射的減小，天線陣單元間互耦的降低，以及效率和增益的提高有著明顯改善[7?10]。

2.2 高阻抗表面單元設(shè)計

考慮到加工和制作的方便，本文采用無過孔的共面高阻抗表面，即在背襯接地板的介質(zhì)表面上周期性印刷頻率選擇表面的金屬圖案，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它可以在一定頻率范圍內(nèi)等效為人工磁導(dǎo)體（AMC）。高阻抗表面蝕刻在厚度[h=]3 mm，相對介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基片上，周期單元貼片邊長[W=]8 mm，單元間隙[g=]1 mm，由電磁仿真軟件Ansoft HFSS得反射相位曲線如圖4所示。

3 結(jié) 論

為了實現(xiàn)高增益、低剖面的目的，本文利用高阻抗表面同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，天線口徑為84 mm，加背腔后的整體高度僅有8 mm。仿真分析表明：改進(jìn)后的螺旋天線增益較為平坦，平均增益為7 dB，阻抗匹配良好，在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，且輻射方向圖穩(wěn)定，能有效抑制后向輻射，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

參考文獻(xiàn)

[1] BELL J M， ISKANDER M F. A low?profile Archimedean spiral antenna using an EBG ground plane [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 223?226.

[2] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2691?2703.

[3] 徐琰，張謨杰.一種新穎的光子帶隙平面螺旋天線[J].電波科學(xué)學(xué)報，2005，20（6）：699?702.

[4] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. A low?profile circularly polarized curl antenna over an electromagnetic bandgap （EBG） surface [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2001， 31（4）： 264?267.

[5] 林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[6] 康行健.天線原理與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[7] SIEVENPIPER D， ZHANG Li?jun， BROAS R F J， et al. High?impedance electromagnetics surfaces with a forbidden frequency band [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[8] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Microstrip antennas integrated with electromagnetic bandgap （EBG） structure： a low mutual coupling design for array applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2936?2946.

[9] ELSHEAKH D N， ELSADEK H A， ABDALLAH E A， et al. Ultrawide bandwidth umbrella?shaped microstrip monopole antenna using spiral artificial magnetic conductor （SAMC） [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 1255?1258.

[10] PRAKASH P， ABEGAONKAR M P， BASU A， et al. Gain enhancement of a CPW?fed monopole antenna using polarization?insensitive AMC structure [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2013， 12： 1315?1318.

摘 要： 利用高阻抗表面的同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，從而改善了天線增益，實現(xiàn)低剖面設(shè)計。仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)背腔式螺旋天線相比，增益穩(wěn)定性顯著提高。在3～12 GHz的工作頻段內(nèi)，駐波比小于2，阻抗匹配良好，輻射方向圖保持穩(wěn)定。在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

關(guān)鍵詞：高阻抗表面； 阿基米德螺旋天線； 寬帶； 低剖面； 圓極化

中圖分類號： TN823+.31?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0077?03

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和寬帶無線電設(shè)備的出現(xiàn)，超寬帶天線技術(shù)在遙測、宇航和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。平面螺旋天線，由于其結(jié)構(gòu)滿足非頻變原理，因而它們在寬頻帶范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性，增益特性以及圓極化等特點。而且平面螺旋天線為雙向輻射，為了實現(xiàn)單向輻射，通常在螺旋天線的一側(cè)加裝深度約為[λ4]的反射背腔，但這種方法會破壞原天線良好的圓極化性能，改變非頻變特性，增大天線輪廓。如果在反射腔內(nèi)填充適當(dāng)?shù)奈ú牧鲜蛊鋯蜗蜉椛洌@樣會導(dǎo)致天線輻射效率的降低。高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）由于在特定頻率范圍具有零相位反射的特點，因而可以將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)體反射板來設(shè)計低剖面天線[1?4]。但由于高阻抗表面相對窄的同相反射帶寬，限制了其在寬帶系統(tǒng)中的應(yīng)用。為改善增益、降低剖面，本文在螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域加載了高阻抗表面（HIS），仿真結(jié)果表明，天線在3～12 GHz的工作帶寬內(nèi)駐波比小于2，增益穩(wěn)定性明顯提升，主輻射方向軸比小于3 dB的頻帶寬度達(dá)到7.8 GHz。

1 傳統(tǒng)背腔式螺旋天線設(shè)計

2 加載高阻抗表面的螺旋天線設(shè)計

2.1 高阻抗表面簡介

高阻抗表面可分為有金屬過孔的蘑菇型和無過孔的共面高阻抗表面。當(dāng)平面波入射到高阻抗表面時，反射相位隨著頻率的增加，由180°～-180°連續(xù)變化，在諧振頻率處相位為0°。通常將反射相位在90°～-90°相應(yīng)的頻率范圍定義為高阻抗表面的同相帶寬，即在此頻帶內(nèi)可等效為人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor， AMC），因而可被用于設(shè)計天線反射板。此外，高阻抗表面對于沿其表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄒ渤尸F(xiàn)帶隙特性，應(yīng)用于印刷天線中能有效地抑制表面波在介質(zhì)基片中的傳播，從而對天線后向輻射的減小，天線陣單元間互耦的降低，以及效率和增益的提高有著明顯改善[7?10]。

2.2 高阻抗表面單元設(shè)計

考慮到加工和制作的方便，本文采用無過孔的共面高阻抗表面，即在背襯接地板的介質(zhì)表面上周期性印刷頻率選擇表面的金屬圖案，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它可以在一定頻率范圍內(nèi)等效為人工磁導(dǎo)體（AMC）。高阻抗表面蝕刻在厚度[h=]3 mm，相對介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基片上，周期單元貼片邊長[W=]8 mm，單元間隙[g=]1 mm，由電磁仿真軟件Ansoft HFSS得反射相位曲線如圖4所示。

3 結(jié) 論

為了實現(xiàn)高增益、低剖面的目的，本文利用高阻抗表面同相反射特性，將其加載到阿基米德螺旋天線背腔的邊緣區(qū)域，天線口徑為84 mm，加背腔后的整體高度僅有8 mm。仿真分析表明：改進(jìn)后的螺旋天線增益較為平坦，平均增益為7 dB，阻抗匹配良好，在約7.8 GHz的頻帶寬度內(nèi)軸比小于3 dB，且輻射方向圖穩(wěn)定，能有效抑制后向輻射，實現(xiàn)了較好的圓極化性能。

參考文獻(xiàn)

[1] BELL J M， ISKANDER M F. A low?profile Archimedean spiral antenna using an EBG ground plane [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 223?226.

[2] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2691?2703.

[3] 徐琰，張謨杰.一種新穎的光子帶隙平面螺旋天線[J].電波科學(xué)學(xué)報，2005，20（6）：699?702.

[4] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. A low?profile circularly polarized curl antenna over an electromagnetic bandgap （EBG） surface [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2001， 31（4）： 264?267.

[5] 林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[6] 康行健.天線原理與設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[7] SIEVENPIPER D， ZHANG Li?jun， BROAS R F J， et al. High?impedance electromagnetics surfaces with a forbidden frequency band [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[8] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Microstrip antennas integrated with electromagnetic bandgap （EBG） structure： a low mutual coupling design for array applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2936?2946.

[9] ELSHEAKH D N， ELSADEK H A， ABDALLAH E A， et al. Ultrawide bandwidth umbrella?shaped microstrip monopole antenna using spiral artificial magnetic conductor （SAMC） [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 1255?1258.

[10] PRAKASH P， ABEGAONKAR M P， BASU A， et al. Gain enhancement of a CPW?fed monopole antenna using polarization?insensitive AMC structure [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2013， 12： 1315?1318.