缝隙螺旋天线及其小型化设计_缝隙螺旋天线

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缝隙阿基米德螺旋天线及其小型化设计

摘要：本文介绍了缝隙形式的平面阿基米德螺旋天线并与普通平面阿基米德螺旋天线进行了对比。在此基础上提出了一种将缝隙设计成曲折线的形式，末端采用电阻加载，采用直接同轴馈电的方式，浅背腔的设计，从而达到将平面螺旋天线小型化的目的。制作的小型化天线直径大小只有75mm厚度12mm，在0.9-4GHz的频带范围内有良好的阻抗特性和增益特性，满足工程使用的要求。

关键词 阿基米德螺旋天线、缝隙螺旋天线、小型化、电阻加载、曲折臂 中图分类号： TN823．31 文献标识码： A Miniaturization of Slot Planar Archimedean

Spiral Antenna

In this paper，slot planar Archimedean spiral antenna and the contrast between it and the common planar Archimedean spiral are introduced.On this condition, the miniaturization of slot planar Archimedean spiral antenna realized by designing the slot line in the form of meander line, discrete resistance loading in the end of antenna, a simple feed and shallow reflecting cavities.We get an antenna sample with a diameter of 75mm and a thickne of 12mm, the antenna which is qualified to the engineering applications ,keeps good characteristics of impedance match and gain.Key words: planar Archimedean spiral antenna，slot planar spiral antenna，miniaturization，resistance loading，meander line1、引言

平面螺旋天线[1]因其低剖面、圆极化、宽频带、易于共型等特点得到了广泛的应用。平面螺旋天线主要有等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线两种形式。阿基米德螺旋天线是一种较为常见的平面螺旋天线，它的曲线方程为：

r=r0+α(φ-φ0)

（1）

其中，r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，φ为方位角，φ0为起始角，r0为螺旋线起始点到原点的距离，a为常数，称为螺旋增长率。通常采用印刷技术制造这种天线，并且使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以便形成自补结构，这样有利于实现宽频带的阻抗匹配。缝隙阿基米德螺旋天线具有和普通阿基米德螺旋天线相类似的性质，但由于其更易于加载和更低的剖面在小型化方面难度低于普通的阿基米德螺旋天线。文章[2]给出了一种缝隙天线的设计，有效的解决了低剖面的问题，并改进了了平面螺旋天线的馈电方式。文章[3]提出了一种利用将平面阿基米德螺旋天线的双臂设计成曲折线的形式来进一步将平面螺旋天线小型化，本文在上述文章的基础上对缝隙平面螺旋天线进行了研究。

2、天线的设计、仿真与制作

螺旋天线可以分为以下几个部分：螺旋天线辐射面、馈电及巴伦、背腔。大多数情况下为了获得良好的低频特性还需要对天线进行加载。

2.1天线辐射面的制作

缝隙阿基米德螺旋天线的辐射面同样可以用印刷的技术制造，在整块铺铜的电路板上，蚀刻出两条互绕且中心相连的阿基米德螺旋槽线。缝隙螺旋天线的辐射面主要的参数有辐射面的直径，螺旋线的螺旋增长率，缝隙的宽度。同普通的平面螺旋天线类似，辐射面的直径越大，天线的低频性能越好，当螺线直径小于λ/π时，增益不大，随着直径的增加，增益逐渐加大，最后到达某一上限。螺旋增长率a越小，螺旋线的曲率半径越小。在螺旋线外径相同的条件下，螺旋线总长度大，则终端效应小，频带内的特性也较好[1]。天线辐射面的缝隙宽度与天线的输入阻抗密切相关，是影响天线驻波的重要因素。

图1 普通缝隙天线的实物图

Figure 1 Slot Planar Archimedean Spiral Antenna 如图1所示我们取缝隙螺旋天线的螺旋增长率为1，圈数为5圈。图2是在其他条件相同情况下分别取缝隙宽度为0.3mm、0.5mm、0.7mm进行仿真的结果，仿真结果表明缝隙宽度越细，天线的输入阻抗越小。为了将馈电简化将输入阻抗设计在50左右，最终选择0.3mm的缝隙宽度，75mm直径来设计天线面。

不同缝隙宽度下的输入阻抗200180160缝隙宽度0.3mm缝隙宽度0.5mm缝隙宽度0.7mm 输入阻抗（欧姆）***200 00.511.522.533.54频率(GHz)

图2 不同缝隙宽度输入阻抗对比图 Figure 2 the contrast of different slot wide

2.2天线的末端加载

为了扩展天线的低频特性我们需要对天线进行各种形式的加载，常见的有将阿基米德螺旋天线的最外几圈设计成曲折臂的形式，文章[3]提出了几种类型的曲折臂并进行了分析。对阿基米德螺旋天线末端进行电阻加载,文章[4]对普通的阿基米德螺旋天线进行了研究，这种进行电阻加载的方式在缝隙螺旋天线上将变的更为方便。

我们首先对天线的末端加载电阻进行了研究，对天线加载电阻的情况与未加载电阻的天线进行了对比。图3是两个相同天线一个天线未加载电阻和一个天线电阻由低到高分别加载到 4.3K时的反射系数对比图，未加载电阻的天线大约在1.2G时反射系数低于-10dB，而加载了电阻的天线在0.75G时反射系数就已经低于-10dB.实验表明电阻的加载可以有效的降低天线低频段的驻波。

加载与未加载电阻天线反射系数对比0未加载电阻加载电阻-10反射系数（dB）-20-30-40 00.511.522.533.54频率(GHz)

图3 天线电阻加载反射系数对比图

Figre 3 the contrast of reflectance with resistance loading or not

除了对天线的末端进行电阻加载之外，我们还将缝隙螺旋天线的最外几圈的螺旋线进行曲折[5]~[7]，增加天线的电长度，以实现我们小型化的目的。图4是天线未加载曲折臂和加载曲折臂的反射系数对比，未加载的天线大约在1.2G时反射系数低于-10dB，加载的曲折臂天线大约在1.0G时低于-10dB，由于加载造成的天线的阻抗变化，在低频段略有起伏。实验表明正弦形状加载的曲折臂天线在频率低端明显优于同等尺寸的普通缝隙螺旋天线。

曲折臂加载与未加载天线反射系数对比0未加载天线反射系数曲折臂加载天线反射系数-10反射系数（dB）-20-30-40 00.511.522.533.54频率(GHz)

图4 天线曲折臂加载反射系数对比图

Figure 4 the contrast of reflectance with meander line or not 2.3天线的实物测试

最终制作的天线实物如图10所示我们同时进行了曲折臂加载和电阻加载

图5 曲折臂缝隙螺旋天线实物图

Figure 5 practicality of Slot Planar Spiral Antenna

实测天线的反射系数如图11所示在0.9-4G的频带范围内反射系数均小于-10dB，驻波满足工程使用的要求。

实测天线反射系数0S11-10反射系数（dB）-20-30-40 00.511.522.533.54频率(GHz)

图6 实测天线的反射系数

Figure 6 the measured reflectance 实测天线的增益(低频部分频点有问题)如图12所示低频段由于尺寸的限制增益值不可能很高，天线的增益值在0.9-4G整个频带内大于-12dB，表明天线可以在整个频段内正常工作。

实测天线的增益105增益(dB)0-5-10-1500.511.522.533.54频率(GHz)

图7 0.9～4GHz缝隙螺旋天线增益曲线

Figure 7

the measured gain 实测天线的方向图在0.9G、1.5G、2.5G、4G时如图13所示，实验数据表明天线在方向图在整个频带内30到30的范围内均能保持良好的特性满足使用要求。

不同频率天线的方向图-20-25-300.9G1.5G2.5G4G 测量增益(dB)-35-40-45-50-55-60-100-80-60-40-20020406080100角度(°)

图8

实测天线的方向图

Figure 8 the measured pattern4、结论

本文对缝隙阿基米德螺旋天线的小型化方面进了研究、仿真和实验，实验结果证明了末端电阻加载和将最外圈进行曲折臂化设计对缝隙螺旋天线的小型化有较好的效果，最后设计出了直径75mm的曲折臂缝隙阿基米德螺旋天线，并对其驻波、增益、方向图等方面进行了测量，测量结果满足工程的使用要求。

参考文献

[1] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社, 2002.[2] 倪文俊, 蒋凡洁.宽波段背腔槽隙螺旋天线的设计[C].全国天线年会论文, 中国, 合肥, 2007.747-750 [3] 宋朝晖,李红梅,杨汉瑛,邱景辉.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, 第25卷(第2期)。

[4]龙小专，袁飞，一种小型平面螺旋天线[C]，2009全国天线年会论文集（上）,2009.[5] T.Ozdemir , J.L.Volakis and M.W.Nurnberger, “Analysis of Thin Multioctave Cavity-backed Slot SpiralAntennas,” IEE Proceedings-Microwave, Antennas and Propagation, Vol.146, pp.447-454, December 1999.[6] M.Nurnberger and J.L.Volakis, “ New Termination for Ultra Wide-Band Slot Spirals,” IEEE Trans.Antenna Propagat., Vol.50, pp.82-85, Jan.2002.[7] D.S.Filipovic and J.L.Volakis, “A broadband meanderline slot spiral antenna,” IEE Proceedings-Microwaves, Antennas and Propagation, Vol.149, no.2, pp.98-105, 2002.