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一种集成平行平面馈电结构的螺旋天线

摘要：在实际应用中，小型平面螺旋天线主要是缺乏正确的平面馈电方式。如果采用巴伦馈电的话，由于巴伦馈电的高度，会使平面螺旋天线尺寸过大，不符合平面螺旋天线小型化的要求。本文提供了一种集成平行平面馈电结构的平面螺旋天线。该天线相对于等角螺旋天线在低频段有明显改善轴比。并且本文的设计将传统的三维的巴伦结构转移到平面上，平面螺旋天线与巴伦结构被整合成了一个多层结构。由此产生的天线结构，保持了典型的辐射特性和平面螺旋天线的宽带特性，并且垂直的巴伦结构被整合到与平面螺旋天线的同一平面。平面螺旋天线的整体尺寸被大大降低了。

1引言

平面螺旋天线在圆极化性能上有很大的优势，具有简单的阻抗匹配和优越的辐射效率。但是，传统的平面螺旋天线的馈电结构位于螺旋的中心，并且垂直于天线的螺旋面。垂直结构的馈电总会有过于明显的长度，与小型平面螺旋天线的需求的小型化和平面结构条件不符。在过去研究平面螺旋天线以这种三维馈电的方式为主。

过去对平面螺旋天线进行平面馈电的研究做过很多，但是在满足平面馈电的条件下天线的辐射性能同时也会变得很差。因此有人提出了一种在平面螺旋天线的外围终端进行馈电的方法。这种方法在牺牲有限的天线带宽的情况下达到了馈电结构与平面螺旋天线在同一平面的要求。共面波导（CPW）馈电的缝隙天线已经得到相当的重视。尽管共面波导有完全平面结构的优点，但是其圆极化的带宽也有限。等角螺旋天线的馈电点设置在金属螺旋臂上，从而进行平面馈电，但这种结构也会使天线的工作频率产生极化现象。

有人提出了一种在平面螺旋天线的螺旋臂下面的金属层布置传输线来给天线进行馈电的方法。此方法用于等角螺旋天线馈电实现轴向比率低于5dB以上的3–10GHz频率范围内，但是因为阿基米德螺线天线的螺旋臂过于细长，因此它不适用于阿基米德螺旋天线。然而，阿基米德螺旋天线在轴比带宽方面相较于等角螺旋天线又有明显的优势。在这种情况下，本文采用类似的馈电方式来为一种新设计的平面螺旋螺旋天线结构进行馈电。在相同的馈电方式下，相比较于等角螺旋天线，这种新设计的平面螺旋天线极大的提高了天线的轴比特性且尺寸更大；并且相较于阿基米德螺旋天线，其天线的螺旋臂更宽长度大大减少。在这种设计中平面螺旋天线和巴伦馈电被整合成一个多层的平面结构。由此产生的结构，保持了平面螺旋天线典型的辐射特性和宽带特性，并且在没有垂直巴伦结构的情况下具有良好的轴比性能。这种新型的平面螺旋天线也大大减小了天线的尺寸。

2研究现状

由于具有良好的圆极化特性，稳定的增益和阻抗，平面螺旋天线经常被用于超宽带系统中。平面螺旋天线在所在平面的上下两侧均产生辐射，在上下两个方向辐射旋向相反的圆极化波。然而在工程应用中通常需要的是单向辐射，因此如何构成单向辐射是平面螺旋天线研究的一个热点。通常采用的方法有两种，一种是在天线底部放置电磁吸收材料，将天线一个方向上的辐射吸收掉。这样虽然达成了单向辐射的目的，但是天线的辐射的一半能量被吸收，不利于天线整体的辐射效率，而且电磁吸收材料的重量通常较大，不利于现代天线设计小型化，轻便化的目标。文献[3]设计了一种环形的电磁吸收材料，将其放置在阿基米德天线底部来获得单向辐射。在成功地保存了将螺旋天线的宽带性能的同时，也获得了单向辐射特性。进一步地，为了节省吸收材料并减少天线整体重量，环形的吸收材料被减少为两段弧形，对称放置在阿基米德天线底部，在获得单向辐射特性的同时，又减少了电磁吸收材料的使用，结构如图2-1所示。

图2-1底部放置环形和弧形电磁吸收材料的阿基米德螺旋天线

增加反射腔的方式也可以将螺旋天线构成单向辐射。这样可以将天线背瓣的能量反射到前面，可以大幅提高天线的增益，然而天线的辐射特性通常会发生较大改变，尤其是圆极化特性^[5]。近年来，电磁带隙结构越来越得到研究者们的关注，在天线设计的过程中，电磁带隙结构也可以用来提升天线的性能。文献[4]采用电磁带隙结构反射的方法来提升天线的辐射性能。为了将双向的辐射变为单向的辐射，改进的EBG（electromagnetic band gap）结构被放置在平面等角螺旋天线底部。在4-9GHz的频率范围内，天线保持单向辐射的同时，获得了良好的圆极化特性，以及较稳定的输入阻抗和增益特性，天线的结构如图2-2所示。

图2-2以EBG结构为反射板的等角螺旋天线

另外，改变天线本身的结构也能令天线性能得到改善，很多科研工作都围绕在不增加天线尺寸的基础上，提高天线辐射特性。文献[5]通过对天线螺旋臂的弯折，设计了220-500MHz的小型化天线，图2-3给出了天线的结构。

图2-3曲折臂螺旋天线

常用的平面螺旋天线均属于自补结构，其阻抗理论值约为188.5Omega;且与频率无关。宽频带范围内稳定的阻抗是它的特点之一，但与设备连接时，常用的馈电线为同轴线，阻抗通常为50Omega;或75Omega;等。因此，使用同轴线馈电时必然要引入匹配结构。如图1-10为双面微带线巴伦，宽频带的匹配和平衡功能使它成为螺旋天线常见的馈电方式。但由于其长度和最低工作频率对应的波长有关，长度通常较长，这也导致螺旋天线整体的垂直尺寸很大。如图1-11为螺旋天线和巴伦连接后的结构。垂直馈电方式导致小型化的集成造成不便，这也引起了螺旋天线另一个研究热点，即平面馈电方式的研究。

3天线设计

如图3-1所示为传统的平面等角螺旋天线，阿基米德螺旋天线和新设计的天线的模型图。新型平面螺旋天线的表达公式为：

（3.1）

其中r是径向距离，ϕ是缠绕角，R0为内半径。A，B，C和D都是与定义平面螺旋天的几何形状相关的参数。这个公式定义了平面螺旋天线的第一个螺旋臂的边界。第二个边界通过把第一个边界旋转90°而得到。天线的第二个螺旋臂是有第一个螺旋臂旋转180°而得到的。

如图3-1所示，阿基米德螺旋天线的螺旋臂过于细长因此不能用上文提到的新型馈电方式进行馈电。然而，在相同的天线尺寸下阿基米德螺旋天线的轴比带宽有明显的优势。在这种情况下，螺旋天线的新型设计是实现轴比和短臂长度的改进。新天线的设计过程在我们以前的工作中得到了很好的解释。当平面螺旋天线拥有较宽且较短的螺旋臂时，用传输线在下面的金属层的螺旋臂中心进行馈电是可行的。

图3-1本文讨论的天线结构

1等角螺旋天线

（1）结构

如图3-2所示为等角螺旋天线，它的结构仅由角度来确定。天线的边界可用公式来表示

（3.2）

公式中，r为曲线边界上的点到中心原点的距离（矢径），对应天线的内径，是旋转角度，是螺旋的起始角，a是一个常数，它控制螺旋曲线的疏密程度，矢径与旋转角度在空间中的位置系如图3-3所示。图中的螺旋天线是右手螺旋的，当a是负数的时候螺旋线便是左手螺旋的。在天线中，螺旋边界与矢径所成的角度是始终不变的，等角螺旋天线的名字也因此而来。

图3-2等角螺旋天线

（2）天线的辐射原理

等角螺旋天线在工作时，由天线的中心馈电，此时两条天线臂可看作是两条弯曲的传输线，电流沿着天线臂向天线外围传输。根据实验经验，电流沿天线臂走过大概一个波长的距离后快速减小至20dB以下，也就是说终端效应比较弱。由此可知，天线的辐射，主要是在天线臂长度大概为一个波长之内的区域产生的。在这个范围之内，传输行波电流，此区域之外电流将产生截断效应，超出这个范围的区域对天线的辐射几乎没有影响。因此，截掉有效辐射范围之外的部分并不会对天线的辐射性能产生明显影响。这样一来，根据设计频段的需要来选择天线尺寸，从而在设计频段内用有限尺寸的等角螺旋天线实现了非频变性能。

图3-3矢径与螺旋角关系

（3）输入阻抗

螺旋天线的边界确定后，金属区域的另外三条边就可以通过第一条边界旋转得到。当四条边之间的夹角均为90度时，天线金属区域和空白区域互补，此时，天线就构成了自补结构。根据上节中介绍的自补结构的特性可得，当天线的互补结构和它自身一样时，天线的输入阻抗为：

（3.3）

也就是说，自补结构的等角螺旋天线，其理论输入阻抗为纯电阻且不随频率的变化而改变。

（4）方向性和极化

在自由空间中，平面等角螺旋天线向上下两个方向辐射能量，最大辐射方向与天线本身所在平面相互垂直^[15]。在有效辐射区范围内，每段螺旋臂均可看作基本的辐射单元，天线整体的辐射场是这些基本单元的辐射场的叠加。天线向上下两个方向辐射圆极化电磁波，极化的旋向由天线臂的绕向决定，如图3-4所示的等角螺旋天线在垂直于纸张向外的方位产生右旋圆极化波，在垂直于纸张向内的方位产生左旋圆极化波。

（5）带宽

由有效辐射区的概念可知，平面等角螺旋天线的带宽与它的几何尺寸有关，内径和外径的大小分别限制了工作频率的上限和下限。实际中应用的等角螺旋天线，外径通常取最小工作频率对应波长的四分之一，内径通常取天线最大工作频率对应波长的四分之一。

常用的等角螺旋天线通常为一圈半，参数a = 0.221时天线方向图最佳，此时天线内径约为，取a= 0.221，得r=8.03r₀=，外径约为。因此，这幅等角螺旋天线的相对带宽约为：

（3.4）

2阿基米德螺旋天线

（1）结构

阿基米德螺旋天线是另外一种传统的平面螺旋天线。如图3-5所示，天线两条臂的边界的方程分别是；

（3.5）

（3.6）

公式中r₁，r₂分别为两条臂的矢径，是旋转角度，r₀对应必时的矢径，即天线的内径。由公式可以直观的看出，与等角螺旋天线的边界不同，阿基米德螺旋天线的矢径和旋转角度之间是线性关系，而前者的矢径和旋转角度之间是指数关系，因此矢径的变化相对比较平缓。一般采用单面敷金属的介质板材来加工这类天线，在应用中，为了达到自补结构，通常让金属部分的宽度与镂空部分的宽度相等，这样有助于获得阻抗的宽带性能。

图3-5阿基米德螺旋天线

（2）天线辐射原理

阿基米德螺旋天线的辐射机理通常以有效辐射区的形式来进行说明。有效辐射主要发生在周长近似等于工作频率对应波长的圆环带上。对于有效辐射区之外的部分，电流快速衰减，这主要是由于能量已通过有效辐射区以电磁波的形式辐射到空间中去了。有效辐射带随着工作频率的变化在天线上移动，频率变低时有效辐射带向较大的圆环处移动，频率变高时有效辐射带向较小的圆环处移动。

（3）方向图和极化

和上一小节中的等角螺旋天线类似，阿基米德螺旋天线在自由空间中的辐射也是双向的，在天线的两面产生两种旋向相反的圆极化波。在垂直于螺旋天线所在平面的方向上，会产生较宽的主波束，在实际的应用中通常只需要单方向的波束。一种方法是在螺旋天线的背面加反射腔，这样就构成了背腔式的阿基米德螺旋天线，这样虽然实现了单项辐射性能，但是它改变了天线的非频变特性，带宽受到了影响。另外一种方法就是在天线的背面加吸收材料，来将背瓣吸收，但这样会减少天线的辐射效率。

3新型平面螺旋天线

图3-6显示了新设计的天线集成的平行平面馈电结构。与文献[9]中提到的馈电方式相比，本文提出的新的馈电方式是尽可能的要避免不必要的螺旋臂和馈电结构之间的连接。所以本文把螺旋天线的两个臂上印在不同的两侧的基底平面上来进行平面馈电。一个巴伦设计是用来匹配天线的输入端口和50Ω的传输线。将巴伦馈电结构和天线在边界部分结合起来。螺旋天线采用了螺旋天线臂的带状线馈电网络的地面和带线的中心导体来对另一个螺旋臂进行馈电。

图3-6天线的几何结构

新型平面螺旋天线的参数A，B，C，D，r₀，_max，W_1,W₂，和W₃的值如表1所示。天线是构建在介电常数为2.2的 f4b基板上的，损耗角正切为0.0009，厚度为0.8mm，占地面积70times;70mm²。

表1

4仿真和测量

天线的性能是通过HFSS仿真软件来进行研究的，采用集总端口。天线在0.8mm厚的f4b基板上制作（ε_r= 2.2）。新的螺旋天线和等角螺旋天线的轴比特性在图4-1中进行比较。与平面等角螺旋天线相比，新的平面螺旋天线在更小的尺寸具有低频轴比有明显的优势。在文献[9]中介绍了等角螺旋天线的参数，半径是32.5mm。新的螺旋天线半径只有28mm，轴比在低频率大大提高。在模拟中，没有用巴伦和我们假设在输入端口的匹配条件。激发源阻抗将按照160Ω来模拟输入电阻。

图4-2为平面馈电结构的螺旋天线的原型。该天线的|S11|由爱德r3770网络分析仪测量。图4-3显示的测量结果和仿真结果的|S11|的螺旋天线的馈电结构，并且有良好的组合系数来充分实现整个所需的带宽。测量和模拟结果之间的差异是由于制造和测量偏差所造成的。

图4-4是模拟和测量的轴比性能与传输线巴伦新天线。如图4-4所示，新的螺旋轴比在很大程度上是受到传输线巴伦所影响的，但整体结构仍具有圆极化操作频率。

新结构的测量和模拟增益如图4-5所示。由于衬底的损耗较低，新结构的增益没有明显减小。

图4-5显示的模拟结果与实测结果之间的归一化辐射模式在总增益3GHz，6GHz和9GHz的比较。

如

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