电缆局部放电宽带平面螺旋天线设计

宽带平面螺旋天线的研究与设计作者：易礼智来源：《现代电子技术》2008年第11期摘要：平面螺旋宽带天线具有频带较宽、体积较小、圆极化性能较好等特点，应用范围很广。

但是这种天线增益较低，馈电匹配较难实现，尤其是前者，使得其性能大打折扣。

通过研究影响平面螺旋宽带天线增益和馈电匹配的主要因素，设计了2~7 GHz范围内的宽频带平面螺旋天线。

理论分析和仿真实验结果表明，对改善平面螺旋宽带天线的性能有一定的工程参考价值。

关键词：阿基米德螺旋天线；宽频带；圆极化性；巴伦中图分类号：TN82 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)11-108-Research and Design of Wideband Planar Spiral Antenna(Hunan Engineering Polytechnic College,Changsha,410151,China)Abstract：Planar Archimedean antenna has some advantages as wideband,small volume and good performance in circularly polarizing,so it has broad appliance prosperity.But also it has low gain and is difficult for matching,which reduces its characteristics a lot.The main factor which gain and matching of planar Archimedean antenna is deeply studied,The article designs a wideband planar spiral antenna with frequency from 2~7 GHz.The analysis and simulation experimental results are given to some reference values of engineering for Improving performance in planar Archimedean antenna.Keywords：Archimedean spiral antenna;wideband;circularly polarizing;Cumberland平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其频带较宽、尺寸小、重量轻、容易实现圆极化而在超宽带及抗干扰等技术中得以广泛应用。

一种宽带螺旋天线的设计朱珊虹;董卫鹏;张琳江【摘要】A spiral antenna with bandwidth is introduced. An external feeding is applied to an elevated coplanar waveguide winding spiral antenna. The whole structure is completely planar and can be easily realized by printed cir-cuit technology. Simulated and experimented results show that the antenna has characteristics of good circular polari-zation and wide bandwidth. Its measured reflecting loss is less than -10 dB in the range 2.5 GHz to 9 GHz.%提出了一种宽带螺旋平面天线的设计。

采用共平面波导的方式绕成天线，该方法使得天线和馈电网络在同一平面上，可以利用印刷电路板技术制作。

通过软件仿真和实际测试显示：该天线具有良好的圆极化和宽频带特性，在频段2.5 GHz~9 GHz上实测反射损耗小于-10 dB。

该天线制作简单、平面化面积小、具有很高的应用价值。

【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P742-745)【关键词】阿基米德螺旋天线;共平面波导;宽带天线;电磁仿真软件【作者】朱珊虹;董卫鹏;张琳江【作者单位】新乡学院计算机与信息工程学院，河南新乡453000;新乡学院计算机与信息工程学院，河南新乡453000;新乡学院计算机与信息工程学院，河南新乡453000【正文语种】中文【中图分类】TN823.31螺旋天线理论自上世纪40年代被提出来后，由于其超宽的频带、稳定的增益和较低的轴比，得到了广泛的应用［1］。

平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真徐 琰 张漠杰（上海航天局第八○二研究所 上海200090）摘要：本文介绍了阿基米德平面螺旋天线及微带渐变线阻抗变换器的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS 对该天线及宽带匹配网络进行仿真，并与测量结果进行比较，仿真结果与测量结果吻合。

关键词： 阿基米德平面螺旋天线 渐变线阻抗匹配 平衡馈电一、 平面螺旋天线1.1 阿基米德平面螺旋天线为了满足灵活性和通用性，常常要求天线能以令人满意的方向图、阻抗和极化特性工作于很宽的频带范围内。

线性振子天线的频带是很窄的，增加振子直径只能稍微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。

天线的增益、方向图、输入阻抗等电特性参数在一个较宽的频带内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。

一般情况下，天线的性能参数是随频率变化的。

有一类天线，其几何形状完全由角度规定，性能与频率无关，这类天线称为非频变天线。

典型的天线有等角螺旋天线。

阿基米德平面螺旋天线不是一个真正意义上的非频变天线，但它也可以在很宽的频带内工作。

因为它不能满足截断要求，电流在工作区后并不明显的减小，螺旋天线被截断后方向图必受影响，因此必须在末端加载而避免波的反射。

阿基米德螺旋的半径随角度的变化均匀的增加，方程为φρρa +=0式中0ρ是起始半径，为螺旋增长率。

a本文设计的是双臂的阿基米德平面螺旋天线（如图1），两臂方程分别为φρρa +=011和)(022πφρρ++=a 。

用印刷电路技术来制造这种天线，使金属螺旋的宽度等于两条螺旋间的间隔宽度，形成自互补天线。

臂的宽度为：20102πρρa W =−=对于一个自互补天线结构，由巴比涅—布克（Babinet －Booker ）原理可求得，具有两个臂的无限大结构的输入阻抗为188.5欧。

图1 阿基米德平面螺旋天线在螺旋的周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。

平面螺旋天线的设计与实现第１９卷增刊电波科学学报Ｖ０１．１９，Ｓｕｐ．２００４年１０月ＣＨＩＮＥｓＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＯｃｔｏｂｅｒ，２００４陈小娟袁乃昌（国防科技大学微波中心，湖南长沙４１００７３）摘要平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带，但匹配平衡电路的宽频带实现则较难，尤其是在加反射腔以使其单向辐射时。

在倍频程范围内，仿真并实际制作关键词。

柩幕狰螺旋天线，巴仑，反射腔出了单向辐射的平面螺旋天线，给出了设计参数值，仿真结果及实测结果。

、．————————∥ｔ，１引言使其结构缩比到无限小。

因此对高端频率有所限制。

但是，若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电，阿基米德螺旋天线［１］是一种宽频带天线，因其那么馈电点附近，由大小相等方向相反的电流产生结构紧凑，尺寸小，重量轻而得以广泛应用。

图１所的辐射场在远区互相抵消，在螺旋的周长接近一个示为一两臂阿基米德螺旋天线，如果两臂等幅反相波长时有最大辐射。

由文献［４］知周长为Ａ的圆环馈电，可在宽频带内获得双向的圆极化辐射，并且在上的行波电流将辐射圆极化波，因此，在周长为一个很宽的频带内天线的输入阻抗不变，在天线平面的波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。

当上方为右旋圆极化，下方为左旋圆极化，在天线背部频率变化时，主要辐射区随之变动，方向图基本不加一反射腔则可得一单向圆极化辐射的天线。

变。

因此，天线具有宽频带工作特性。

对应最低频率天线要有１．２５２。

．。

，对最高频率，由馈电点间隔尺寸决定，其间隔必须小于Ａ旆／４。

为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。

这样螺旋线上是行波电流，它产生的是圆极化波。

如果存在从末端反射回馈电点的电流，它辐射的是反相圆极化波。

平衡馈电的巴仑可放在反射腔图１两臂阿基米德平面螺旋天线内，这样可避免了方向图倾斜并可以用同轴线馈电。

３设计与实现该天线近些年在电子战领域得到广泛的重视‘２］［引，主要原因是其宽频带特性正好满足雷达对工作中选择自互补天线，即天线臂宽与间隔相抗的需求。

平面等角螺旋天线及巴伦的设计随着无线通信技术的飞速发展，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能和设计受到了广泛。

其中，平面等角螺旋天线（Planar Inverted-F Antenna，简称PIFA）以及巴伦（Balun）是两种常用的天线和平衡转换器设计。

本文将介绍这两种天线的特点、设计原理和参数，旨在帮助读者深入了解其优势和应用场景。

平面等角螺旋天线是一种常见的宽带天线，具有体积小、易共形、易集成等优点。

它由一个平面的辐射元和一个螺旋状的地面构成，通过调整辐射元和地面的尺寸以及螺旋的匝数，可以实现在宽频带内的良好辐射性能。

平面等角螺旋天线的辐射原理主要依赖于螺旋的电流分布。

当高频电流在螺旋上流动时，会产生一个向外扩散的磁场，从而形成辐射。

由于螺旋的等角特性，电流在整个螺旋上均匀分布，使得天线在宽频带内具有稳定的辐射方向图和阻抗特性。

平面等角螺旋天线的特点在于其宽频带性能和易共形性。

通过改变螺旋的匝数和辐射元的尺寸，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持稳定的阻抗特性和辐射方向图。

在设计时，需要考虑的主要参数包括辐射元的尺寸、螺旋的匝数、介质基板的厚度和相对介电常数等。

巴伦是一种用于将不平衡的信号转换为平衡的信号，或反之亦然的平衡转换器。

在天线设计中，巴伦被广泛应用于将天线的不平衡信号转换为平衡信号，以实现更好的辐射性能。

下面以常见的威尔金森巴伦为例，介绍其设计原理和特点。

威尔金森巴伦是一种经典的巴伦设计，它利用两个对称的线绕线圈来实现不平衡到平衡的转换。

在线绕线圈的中心连接不平衡信号源，在线绕线圈的两侧连接平衡信号端口。

通过调整线圈的匝数和半径，以及源阻抗和负载阻抗的匹配，可以实现信号的高效传输。

威尔金森巴伦的特点在于其宽带性能和高效传输。

通过调整线圈的匝数和半径，可以覆盖较宽的频率范围，同时保持高效传输。

在设计时，需要考虑的主要参数包括线圈的匝数和半径、源阻抗和负载阻抗的匹配等。

平面等角螺旋天线和巴伦是两种常用的天线和平衡转换器设计，具有广泛的应用场景。

2013年第06期，第46卷 通 信 技 术 Vol.46，No.06,2013 总第258期 Communications Technology No.258,Totally一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计罗 旺（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 611731）【摘 要】分析了平面螺旋天线的研究方法，并设计了工作于2～12 GHz的新颖的超宽带平面等角螺旋天线，由天线的宽带特性指标和平衡结构特性，天线两臂的辐射部分设计了一种带环状贴片的天线辐射结构，使圆极化轴比带内小于3 dB，天线馈电部分设计了一种阻抗为指数渐变和梯形渐变相结合的双线形式微带线宽带巴伦，并可采用50 Ω同轴探针馈电，使带内反射系数小于-10 dB。

测试结果表明，馈电的微带巴伦和天线带环状的结构形式都表现出良好的宽频带和圆极化特性。

【关键词】宽带巴伦；平面等角螺旋天线；圆极化轴比；反射系数【中图分类号】TN822 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2013)06-0012-03 Design of A Novel Ultra-wideband Planar Equiangular Spiral AntennaLUO Wang(College of Physical Electronics, ESTUC, Sichuan Chengdu 611731, China)【Abstract】The planar spiral antenna research methods are analyzed, and the planar equiangular spiral antenna working in 2～12 GHz novel ultra-wideband is designed. For the balanced structure and broadband characteristics of the antenna, a belt-ring stickers antenna radiating structure for the antenna radiation part is designed, so that the circular polarization axis is less than 3dB than the band, while a two-form microstrip line broadband balun combining the impedance index gradient and trapezoidal grodient is designed for the antenna feed part, and 50Ω coaxial probe feed may also be adopted, so that the reflection coefficient could be less than -10dB band. The measurement results indicate that both the antenna and the balun exhibit good circular polarization and broad-band property.【Key words】broadband balun; planar equiangular spiral antenna; circular polarization axial ratio; reflection coefficient0 引言平面螺旋天线是一种比较常见的超宽带天线，它本身属于非频变天线系列。

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计夏成刚（华南理工大学电子与信息学院）摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。

根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。

仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。

关键词：螺旋天线；巴伦；设计Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun XIA cheng-gang（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。

Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design1 引言平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。

一．课题要求技术要求：要求设计当频率f=2.45GHz、圈数N=6时，计算出螺旋天线的螺旋直径D、螺距S、螺距角α、一圈周长L、轴向长度A、螺旋线导线直径d、螺旋线至接地板的距离g、接地板直径G。

并对螺旋天线的法向模、轴向模、圆锥模的仿真，并得出天线的方向图及轴比图、反射系数、方向性系数、增益、输入阻抗、波瓣宽度（HPBW）二．课题背景螺旋天线是由螺旋形的金属线作为辐射体，由于螺旋线缠绕的形状不同，包括圆柱螺旋、椭圆柱螺旋、圆锥螺旋以及球面螺旋等，其中轴向模是螺旋天线的一种重要的工作模式，该种模式主要产生沿着螺旋轴向的辐射，并且辐射的电磁波是圆极化波，所以广泛应用于卫星通讯中，近来随着移动通信的发展，为了获得大范围的稳定的无线局域网络覆盖，轴向模螺旋天线也被用作基站天线。

轴向模式工作的螺旋天线的输入阻抗在较宽频带（理论值接近2:1的频率范围）内近似是一个常数，约为140Ω，所以具有宽带阻抗特性。

通常螺旋天线的增益由螺旋圈数确定，在螺距一定的情况下，螺旋线越长天线增益就越高，但是当圈数过大时，增益提高的效果就不明显了，并且天线的制作也将变得十分复杂。

三．螺旋天线结构与几何特性螺旋天线是用金属导线或管做成的螺旋形结构，它通常用同轴电缆馈电。

同轴线的内导体与螺旋线的一端相连接；外导体可与作反射器用的金属板连接；也有其他的连接方法。

若螺旋直径是不变的，称为圆柱螺旋天线；螺旋直径是渐变的，称为圆锥螺旋天线，本项目仅讨论圆柱螺旋天线。

如图1所示。

图1 螺旋天线结构螺旋天线结构尺寸：螺旋直径D ；螺距S ；螺距角α，α=arctan(S /πD )；一圈周长L ，L =22(D)S π；圈数N ；轴向长度A ，A =NS ；螺旋线导线直径d ；馈电端螺旋线至接地板的距离g ；接地板直径G 。

螺旋天线的辐射特性基本上决定于螺旋的直径与波长之比D /λ。

当0.25<D /λ<0.46时，即螺旋一圈周长L 近似等于一个波长，最大辐射方向沿螺旋轴线，称为轴向模辐射；当D /λ<0.16时，最大辐射方向与螺旋轴垂直，而轴向几乎无辐射，称为法向模辐射；当D /λ>0.46以后，方向图就呈圆锥形，轴向辐射很弱，当D /λ≈2/π时，轴向辐射接近零，最大辐射偏离轴向，这种辐射称做圆锥模。

天线――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响一、天线概览绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。

辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。

接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。

方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。

极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。

天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。

§天线分类依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。

◎电小天线：天线的尺寸比一个波长小很多。

特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。

适合于VHF或更低的波段。

如短振子，小环。

◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。

特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。

主要用于HF到低于1GHz的频段。

如半波振子，微带贴片，八木天线。

◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。

特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。

主要用于VHF直至数个GHz的频段。

如螺线天线，对数周期天线。

◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。

特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。

用于UHF和更高的频段。

如喇叭天线，反射面天线。

§天线的电气特性（1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。

（2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率2640rhRA，（辐射阻抗Z）（3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。

（4）极化特性――极化、极化隔离度。

天线增益G ：等于辐射功率与输入功率之比。

AG D阻抗特性：电小天线和谐振天线之所以是窄频带天线，很大程度上受制于恶劣的阻抗特性。

一种基于共面波导馈电的超宽带平面螺旋天线作者：傅宁周航帆马军刘昊王孜廖保全吴小鸥来源：《中国新通信》 2018年第13期【摘要】为了扩展天线频宽，扩大其在小型化宽频带通信系统的应用，本文提出一种基于共面波导馈电的超宽带平面螺旋天线。

天线工作在超宽带UWB（3.1-10.6 GHz）频段以及无线移动电信服务WMTS（1.395-1.4 GHz）频段内，通过对天线关键参数仿真、分析和优化，得出最佳的天线结构。

仿真结果表明，天线在1.395GHz~10.6GHz 频段内的驻波比均小于2.0，辐射方向图为全向，最高增益优于3.0dBi，满足无线通信应用需求。

【关键词】共面波导平面螺旋天线反射系数A novel Ultra-Wideband Planar Spiral Antenna Base On Coplanar Waveguide-FedAbstract: A novel ultra-wideband planar spiral antenna based on coplanar waveguide-fed is proposed in order to extend theantenna bandwidth and expand its application in miniaturized communication system, The antenna is designed tooperate over theUWB (3.1-10.6 GHz) band as well as in a lower band suitable for WMTS (1.395-1.4 GHz). By analysis and optimization of the mainparametersinfluencing the antenna performance in the simulation, the ideal size for the antenna was determined．The resultsshow that the VSWR of the antenna less than 2.0in the range of 1.395GHz-10.6GHz, the radiation pattern is omni-directional witha greatly increased gain of 3.0dBi, which meets the requirements of wireless communication application.Key words: coplanar waveguide; spiral antenna; reflection coefficient引言UWB 技术最初在1960 年作为军用雷达技术开发的，与常见的通信方式使用的连续的载波不同，UWB 采用极短的脉冲信号来传送信息，其传输速率可达到几百Mbps。

平面螺旋天线的设计与实现Ξ陈小娟,袁乃昌ΞΞ(国防科技大学微波中心,湖南长沙410073)摘　要:平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带,然而其匹配平衡电路的宽频带实现则较难,尤其是在加反射腔以使其单向辐射时。

在4～6GH z 范围内仿真并实际制作出了用于某S 波段雷达系统单向辐射的平面螺旋天线,给出了设计参数值、仿真结果及实测结果。

关键词:阿基米德螺旋天线;宽频带;巴仑;反射腔中图分类号:T N823.31　文献标识码:A 文章编号:100920401(2004)0420031203Design and im plementment of a planar spiral antennaCHEN Xiao 2juan ,YUAN Nai 2chang(Microwave center ,National Univer sity o f Defense Technology ,Changsha 410073,China )Abstract :Planar Archimedean antenna can w ork in a very wide band ,while the wideband matching netw ork is difficult to be im plemented ,especially in adding a reflecting cavity to get a unidirectional radiation.In this article a unidirectional radiating spiral antenna is m odeled on HFSS between 4GH z and 6GH z and then is made to w ork in an S 2band radar system ,and the design parameters ,simulation results and on 2the 2spot test are als o given.K ey w ords :Archimedean antenna ;wideband ;balun ;reflecting cavity1　引　言阿基米德螺旋天线[1]是一种宽频带天线,因其结构紧凑、尺寸小、重量轻而得以广泛应用。

2018年第7期 信息通信2018(总第 187 期）IN FO RM ATIO N & CO M M U N ICATIO N S(Sum . No 187)一种小型化超宽带平面螺旋天线的设计张熙瑜(中国电子科技集团公司第29研究所，四川成都610000)摘要:文章设计并制作了 一种小型化超宽带平面螺旋天线。

该天线采用多层渐变吸收加栽技术消除胺体影响，以获得良好的驻波、方向图特性。

利用曲折线、吸收环加栽技术实现了天线的小型化。

相比传统天线，该天线尺寸缩小到常规又寸的57%。

为提高生产加工一致性、降低成本，馈电部分采用微带双线结构实现平衡转换。

测试结果显示，该天线在22.5 倍频程的工作频带内驻波小于2.5,面极化辐射特性良好，可广泛应用于各种测向系统。

关键词：小型化;超宽带；圆极化;平面螺旋天线中图分类号:TN 823.31 文献标识码:A 文章编号:1673-1131( 2018 )07-0107-020引言平面螺旋天线由于其结构的自相似性，具有良好的宽带 圆极化辐射特性，因而引起了高度重视并在各种测向系统中 得到了广泛应用。

平面螓旋天线的辐射是双向的，但在实际应用中，由于载 体平台限制，往往要求天线具有单向辐射特性•通常的做法 有两种,一种是在螺旋天线一侧增加吸收腔，以保持天线的宽 频带特性，另一种是采用反射腔，虽然提高了天线增益，但是 天线的带宽、体积均受到了限制。

本文对平面螺旋天线的吸收腔体进行了优化设计，采用 多层渐变吸收加载技术消除腔体影响，使天线在超宽频带内 获得了良好的驻波、方向图特性。

螺旋面采用sin 函数加载的 曲折线设计,有效减小了天线口径。

为吸收螺旋线终端反射， 改善低频段圆极化特性，在蜾旋面上还采用了吸收环加载。

馈 电部分采用微带双线结构实现平衡转换，既提高了加工一致 性又降低了生产成本。

⑥ 路径分析。

路径分析主要是找寻访问路径的分析方法， 通过对访问记录中高频出现的访问站点进行相应研究，从而 找到访问频繁的路径，并且对访问路径进行研究，最后可以找 出在路径中存在的问题。

电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology2020,35(1) 中图分类号:TN822.8 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2020)01-0064-04收稿日期:2019-04-22;修回日期:2019-06-03作者简介:周智杰(1983 ),男,硕士,工程师;李培(1986 ),男,硕士,工程师;左乐(1981 ),男,博士,高级工程师㊂一种侧馈式超宽带平面螺旋天线设计周智杰,李　培,左　乐(电子信息控制重点实验室,成都610036)摘要:介绍了一种能够工作在0.8~18GHz 的平面螺旋天线㊂螺旋天线小型化是本次设计的目标,所以天线的口径尺寸被严格地限制㊂为了在尺寸限制的条件下天线工作频段仍然能够覆盖频率范围,该螺旋天线采用多种小型化技术㊂该天线使用侧馈方式馈电,能够进一步减小天线的高度㊂通过仿真设计和实物测试验证,天线性能良好并且具有超宽带㊁纵向尺寸小㊁易于加工装配等优点㊂关键词:螺旋天线;超宽带;小型化;侧馈DOI :10.3969/j.issn.1674-2230.2020.01.014Design of A Side -Fed Ultra -Wideband Planar Spiral AntennaZHOU Zhijie,LI Pei,ZUO Le(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu 610036,China)Abstract :A planar spiral antenna which can work at 0.8~18GHz is introduced.The goal of this design is to miniaturize the spiral antenna,so the aperture size of this antenna is strictly re⁃stricted.In order to cover the frequency range under the size restriction,several kinds of minia⁃turization methods are employed.The side feed is employed by the spiral antenna to further re⁃duce longitudinal dimension.Through simulation design and test verification,the antenna has a good performance and the advantages of ultra -wideband,small longitudinal dimension,easy processing and assembly,etc.Key words :spiral antenna;ultra-wideband;miniaturization;side feed1　引言雷达㊁电子战㊁通信等无线电系统都是通过天线接收和发射信号㊂现代国防和民用无线电系统均对天线的宽带化㊁小型化提出需求㊂但是根据电磁场理论,天线的低频带宽随口径尺寸的减小而变窄,所以天线的宽带化和小型化是一对矛盾㊂对超宽带天线的小型化研究具有很高的工程实用价值㊂平面螺旋天线作为天线的一种,具有频带宽㊁圆极化㊁低轴比㊁体积小的优点,被广泛应用于国防和移动通信领域[1]㊂平面螺旋天线的小型化技术一直是研究的热点㊂小型化技术包括口径小型化和低剖面[2]㊂口径小型化的研究重点集中在辐射结构创新㊂平面螺旋天线的辐射发生在周长为工作频点波长整数倍的环形辐射带㊂在保证辐射带半径不变情况下,延长辐射带内螺旋线的电长度可以降低该辐射带的工作频率㊂对螺旋天线臂进行曲折处理是一种广泛采用的方法[3]㊂此外还可以设法降低天线臂终端的反射电流来降低工作频率㊂方法主要有:天线臂终端使用较细的螺旋线[4];终端加46电子信息对抗技术·第35卷2020年1月第1期周智杰,李　培,左　乐一种侧馈式超宽带平面螺旋天线设计载电阻[5];终端辐射区域加载吸收环[6]㊂平面螺旋天线低剖面是研究如何降低天线反射腔的深度[2]㊂通常方法是在腔体内部填充高效吸收材料[7]或采用EBG结构作为反射面[8]㊂本文介绍了一种能够工作在0.8~18GHz新型的平面螺旋天线㊂该天线综合利用了多种措施来拓展低频工作频率,并对传统的微带双线渐变馈电结构进行了更改,采用侧馈方式馈电,压缩了天线剖面的高度㊂该天线拥有非常宽的带宽,能够工作在0.8~18GHz㊂2摇平面螺旋天线设计 本文设计的平面螺旋天线结构上可以分成三部分,分别是辐射部分㊁馈电部分㊁腔体部分㊂辐射部分的螺旋线采用阿基米德函数加正弦函数形成曲折臂;螺旋面终端辐射区域加吸收环㊂馈电部分采用弯曲的微带至双线渐变巴伦㊂腔体内部填充吸收材料㊂平面阿基米德螺旋天线两臂的方程为ρ1=r0+aφ1(1)其中:ρ1和φ1分别是极坐标系中的矢径和幅角㊂r0为任意常数,a是螺旋线增长率因子㊂对于本文所述天线,由于天线口径限制,为了进一步拓宽天线频率低端工作带宽,需要延长螺旋线的电长度㊂于是螺旋线内圈使用阿基米德函数,外圈使用正弦波函数㊂正弦波函数可以形成波纹起伏,形成类似于曲折臂的结构,达到降低低端工作频率的目的㊂阿基米德加正弦波函数的方程为ρ2=r0+aφ1+aφ2+b sin(φ2*N1)*φ22N2π(2)其中:ρ2和φ2分别是极坐标系中的矢径和幅角㊂b为任意常数,表示正弦波纹的幅度㊂N1是每一圈正弦波螺旋线(外圈)中的波纹的起伏数㊂N2表示正弦波螺旋线(外圈)的圈数㊂为了保证天线的非频变特性,螺旋天线通常是自补结构,即螺旋臂宽度与臂间距相等㊂宽度记作w㊂增长因子和宽度满足式(3):a=2wπ(3)本文所述天线的螺旋线见图1㊂图1　螺旋线为了进一步降低天线在频率低端的驻波,天线螺旋臂终端区域加载吸收环,见图2㊂吸收环采用氯丁胶板吸收材料㊂这种材料厚度薄㊁柔性好㊁强度高㊁吸收率大,对表面波具有良好的吸收特性㊂吸收环的外形尺寸见图3㊂图2　螺旋臂终端加载吸收环图3　螺旋臂终端加载吸收环外形尺寸馈电巴伦采用微带到双线渐变的印制电路实现㊂基材选用RO4003C,介电常数3.38㊂微带线一端与SMA连接器焊接;双线和螺旋臂焊接㊂与Marchand平衡器相比,微带渐变巴伦的优点是带宽很宽㊁结构简单,缺点是平衡性较差㊂理论上渐变线的电长度越长其平衡性越好,所以在设计时应尽可能使用长的渐变线㊂本天线设计的目标是通过侧面馈电的方式来降低剖面高度,通过弯折56周智杰,李　培,左　乐一种侧馈式超宽带平面螺旋天线设计投稿邮箱:dzxxdkjs@的渐变线可以同时实现侧馈和延长渐变线的目的㊂与传统的采用微带渐变巴伦并后馈方式相比,侧馈还能够提高天线的安装适应性㊂微带双线渐变巴伦的外形示意图见图4㊂图4　微带双线渐变巴伦天线腔体的主要作用是吸收螺旋面后向辐射的电磁波,支撑螺旋面,保护馈电巴伦㊂腔体的外形尺寸和内部结构见图5㊂如图所示,腔体内填充蜂窝吸收材料用于吸收反向波㊂蜂窝材料吸收率强,且垂直方向的强度高,可以有效地吸收反向波,同时对螺旋面起到支撑作用㊂巴伦的微带印制板两侧粘接PMI 泡沫,对巴伦起到固定作用㊂图5　螺旋天线内部结构示意为了验证设计的正确性,采用HFSS 仿真软件对上述模型进行仿真优化㊂主要是对螺旋线的各参数,渐变巴伦的微带线进行调整,得到一组相对最优的仿真结果㊂天线模型的主要性能仿真结果如图6~9所示㊂仿真结果显示,天线驻波全频段小于3;增益大于-10dBi;轴向轴比在1GHz ~2GHz 处偏大,其余频段均小于3dB㊂图6　仿真电压驻波比图7　仿真圆极化增益图8　仿真轴向轴比图9　仿真圆极化增益方向图考虑到天线的实际使用环境,螺旋面表面积水㊁腐蚀㊁划伤,腔体内部吸收材料吸潮,均会影响天线性能,所以专门设计一个薄壁天线罩用于密封天线,保护螺旋面㊂3摇试验结果 根据上面螺旋天线的仿真设计,加工装配了天线实物㊂螺旋天线实物照片如图10㊂天线带了天线罩,并在天线表面喷淡灰色漆㊂图10　带天线罩天线66电子信息对抗技术㊃第35卷2020年1月第1期周智杰,李　培,左　乐一种侧馈式超宽带平面螺旋天线设计将天线置于微波暗室中测试,得到其主要性能测试结果如图11~14所示㊂图11是实测电压驻波比,在0.8GHz ~18GHz 全频段优于2.5㊂图12是圆极化增益㊂天线在2GHz ~18GHz 频段增益在0dB 左右,2GHz 以下增益快速下降,最小增益大于-14dB㊂图13是天线的轴向轴比,轴比除个别频点外均小于3㊂个别频率处轴比偏大的主要原因是微带双线渐变巴伦的平衡性在该频率点差导致㊂图14是天线水平极化和垂直极化方向图㊂可以看出,0.8GHz 方向图会出现20°左右的歪头,随着频率的升高,天线方向图歪头减小㊂天线实测结果与仿真结果存在一定的差异,主要原因有以下四点:一㊁仿真模型中,天线采用吸收材料的仿真参数与实际值存在一定的偏差;二㊁巴伦在实际使用时可能会激励起高次模,造成与仿真结果的差异;三㊁仿真模型没有考虑天线罩的影响;四㊁暗室测试环境并非完全理想,会引入测试误差㊂图11　实测电压驻波比图12　实测圆极化增益图13　实测轴向轴比(a)0.8GHz(b)6GHz(c)12GHz(d)18GHz图14　实测方向图从图11~14的实测性能结果可见,螺旋天线在高频段,增益㊁轴比和方向图性能优于低频段㊂(下转第88页)76邓小龙,刘湘德,温卓漫基于FACE的可重构装备软件架构投稿邮箱:dzxxdkjs@[2]　裴朝志.可复用情报数据处理软件设计方法[J].电子对抗信息技术,2011,26(6):82-86. [3]　ADMIRAL V,CEBROWSKI A K.Technical Standardfor Future Airborne Capability Environment(FACETM)[M].2.1ed.Burlington,USA:The OpenGroup,2014.[4]　HENRY M,VACHULA G,PRINCE G B,et al.AComparison of Open Architecture Standards for the De⁃velopment of Complex Military Systems:GRA,FACE,SCA NeXT[M].Orlando,USA:IEEE,2012,978-1-4673-3/12.[5]　王云爽,刘堃,郑挺,等.一种电子对抗行动控制应用软件框架研究[J].电子对抗信息技术,2014,29(1):77-82.[6]　覃杨森,董卫云.基于模态的嵌入式软件动态重构技术研究[J].计算机科学,2012,29(2):175-178.[7]　贾璐,胡林平,齐晓彬.分布式航空电子系统蓝图仿真技术的研究[J].航空计算技术,2010,40(4):108-111.(上接第67页)主要原因是天线为实现小型化,口径尺寸受到限制,且使用吸收环加载,导致天线在频率2GHz以下增益快速下降;且微带双线渐变巴伦在低频段的平衡性较差,导致轴比增大,方向图出现歪头㊂4摇结束语 本文通过仿真,设计实现了一种可工作在0.8~18GHz频段的超宽带平面螺旋天线㊂经实物测试,天线性能良好㊂该天线采用微带双线渐变巴伦馈电,具备口径小㊁剖面低㊁结构简单㊁可靠性高㊁易加工㊁装配性强等优点㊂同时,该螺旋天线缺点在于轴比和低频端的方向图略差㊂如要进一步扩展低频带宽,需要进一步优化螺旋面;如要改善天线方向图特性,需要优化巴伦结构,增加其电长度,提高平衡性㊂参考文献:[1]　JOHN D K,RONALD J M.天线[M].3rd ed.章文勋译.北京:电子工业出版社,2006.[2]　王光明,王亚伟,梁建刚.平面螺旋天线小型化研究[J].微波学报,2013,29(5/6):139-144. [3]　宋朝晖,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.[4]　ZHU Y X,ZHONG S S,XU S Q.Miniaturized Com⁃pound Spiral Slot Antenna[J].Microwave and OpticalTechnology Letters,2008,50(11):279-2801. [5]　NUMBERGER M W,VOLAKIS J L.New Terminationfor Ultra-Wideband Slot Spirals[J].IEEE Transac⁃tions on Antennas and Propagation,2002,50(1):82-85.[6]　NAKANO H,SASAKI S,OYANAGI H,et al.Cavity-Backed Archimedean Spiral Antenna With Strip Ab⁃sorber[J].IET Microwaves Antennas&Propagation,2008,2(7):725-730.[7]　HISAMATSU N,TATSUYA I,HIROSHI O,etc.Unbal⁃anced-Mode Spiral Antenna Backed By An ExtremelyShallow Cavity[J].IEEE Transactions on Antennasand Propagation,2009,57(6):1625-1633. [8]　HISAMATSU N,KATSUKI K,MORIHIRO K,et al.Low-Profile Equiangular Spiral Antenna Backed by anEBG Reflector[J].IEEE Transactions on Antennasand Propagation,2009,57(5):1309-1318.(上接第75页)[7]　李杰,高火涛,郑霞.相控阵天线的互耦和近场校准[J].电子学报,2005,33(1):119-122. [8]　SHIRO K,HIROMASA N,HITOSHI M.DevelopmentResults of Partial Model of Ka-Band Active PhasedArray Antenna of Gigabit Satellite[J].InternationalJournal of Satellite Communications,1999,17(2/3):187-196.[9]　YONEZAWA R,KONISHI Y.Beam-Shape Correc⁃tion in Deployable Phased Arrays[J].IEEE Trans onAntennas Propag,1999,47(3):482-486.88。

一种超宽带平面螺旋天线的设计与研究作者：曾嘉诚来源：《科学与财富》2020年第19期摘要：平面螺旋天线具有宽频带、小体积、易共形等特性，因此广泛应用在电子对抗领域。

文章设计了一种低剖面高增益的超宽带平面螺旋天线，该天线能够工作在1-40GHz的频段内。

用一种经指数切削的同轴馈电巴伦对天线进行馈电，满足了天线的馈电平衡和阻抗匹配，同时通过在天线背面加载异型反射腔提高天线的正向增益。

经一系列的仿真优化，其结果表明天线具有良好的宽频带特性、较大的功率容量和较好的圆极化特性。

关键词：平面螺旋天线;宽带;巴伦;反射腔现如今电子信息技术已经得到了蓬勃的发展，电子技术也已广泛应用在军事领域中，几乎所有的现代化武器系统都已实现了信息化。

在日益复杂的电磁环境下，电子对抗技术也就变得更加重要[1-3]。

在上世纪50年代，Rumsey等人提出了频率无关天线的概念，这类天线的电性能参数在相当宽的频带范围内保持不变或变化很小。

频率无关天线也称为非频变天线，根据Rumsey原理，其结构只与角度有关，这也表示天线的尺寸可以无限大[4-6]。

实际运用中，因尺寸限制往往要求天线在某点处截断时，天线性能不受影响或可忽略不计，即需满足截断原则。

平面螺旋天线作为一类经典的非频变天线，在电子对抗技术已得到了广泛的使用，如预警机的雷达[7]。

1平面螺旋天线设计本文设计的是双臂阿基米德螺旋天线，其结构在极坐标下可用如下方程表示：式中r0表示天线的起始半径;α为增长率;为角度;为起始方位角，本文中分别设置为0和π。

事实上阿基米德螺旋天线并不完全满足Rumsey原理，不是一个真正的非频变天线。

下面根据阿基米德螺旋天线的辐射机理，解释其为什么拥有很宽的频带。

阿基米德螺旋天线存在一个辐射激活区，远区场的辐射主要依赖于这一激活区，激活区外所产生的场几乎对远区辐射场没有影响。

在周长为一个波长的区域附近，两臂上的电流几乎同向所产生的辐射场在螺旋平面法向方向上相互叠加产生强辐射，这一区域就是辐射激活区。