阿基米德天線

1、2003年7月遙測遙控 31 自補型阿基米德平面螺旋天線的設(shè)計與分析李連輝(北京遙測技術(shù)研究所北京100C76)文 播 問島來後平面螺it天線是一種可用在L波較.C波段或更高波孜的寬頻簾夭找.在駐波比小于25門時. 帶寛可達到40：b但其敗車卻不到40%。當效車提高時.第寬又只有2J左右.文中介紹一幷自補型何基來德平面博諦 天線它的效率較普通阿基來純平面螺詵天線離出約一倍頻帶寛度能達到十個倍頻程以上主IK詞 何雖米徳千的螺稅天線 大線 阻撫丈換器早在20世紀50年代人們便開始了寬頻帶天線的討論一致認為天線不能用于寬頻帶的原因是當頻率改 變時天線的線性電長度相應(yīng)發(fā)生變化從而破壞了天線的性能參議。

2、如果能設(shè)計岀一種夭線，它的外形只由角度 決定而不包含線性長度則天線的性能就可以不受頻率改變的彬響。例如，無限長的雙錐天線，天線的性能只由 圓錐頂角的大小決定與頻率無關(guān)。圖1平面等角螺旋天線實際上，天線的長度不可能是無限長的。但如果就無 限長天線設(shè)計出一種僅由角度表征其特性的天線并使 天線電流離開饋電點時逐漸減小，則在電流足夠小處把 天線截斷將不會影響它的寬頻帶持性門。鑒于此在 1959年提出了一種等角螺旋夭線。圖1是一個雙臂平面等角螺旋天線，其曲線方程為 r =廠。幺"(1)式中各參數(shù)的定義示于圖】。該天線很好地實現(xiàn)了寬頻 帶特性。由圖1可以看到雙臂平面等角螺旋天線帶線的寬 度隨著半

3、徑的增大而逐漸展寬。如果使帶線寬度始終保 持不變并使相鄰兩臂之間的縫隙寬度等于帶線寬度就 形成了的阿基米德平面螺旋天線。阿基米德平面螺旋天線雖然早在20世紀50年代就提出來了 但是由于科 學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制原有的低頻率、窄頻帶天線又完全能夠滿足當時的使用要求因此阿基米德平面螺旋夭 線在當時并未引起足夠的重視。到了 20世紀70年代隨著科壟技術(shù)的發(fā)展和通信事業(yè)的進步，信號傳輸?shù)念l率越來越高頻帶越來越寬，以前研制的天線越來越不能滿足要求了，夭線工作者開始了對寬頻帶天線的研究，直到 這時，阿基米徳平面螺旋夭線才被提到議事日程匕來，在這之后的二十多年里，阿基米德平面螺旋天線得到了飛 速的發(fā)展，目前國

4、外市場匕已經(jīng)岀現(xiàn)了相關(guān)的產(chǎn)品。1普通阿基米徳平面螺旋天線的設(shè)計根據(jù)任務(wù)的要求本天線的設(shè)計指標為:工作頻率 駐波比 頻帶寬度 方向圖形狀1 6GHzVSWRW2 5 5GHz 半球形2003年7月遙測遙控 # 2003年7月遙測遙控 # 收稿 Fl 期：2003-02-082003年7月遙測遙控 # 軸向最大增益>5dB半功率角波束寬度 2%,»60。通過對以往各種形式的彈上大線的測試結(jié) 果進行認真仔細的分析我們發(fā)現(xiàn)它們的頻帶 寬度、增益和極化形式均不能同時達到要求，而 這里又不能使用有源天線于是決定研制一種 新型的寬頻帶天線。在翻閱了大量的資料后，我 們的目標鎖定在了阿基米德平

5、面螺旋夭線上。 針對普通阿基米德平面螺旋天線效率低的缺 點，我們對它進行了改進，其結(jié)構(gòu)圖示于圖2。普通阿基米德平面螺旋犬線的結(jié)構(gòu)包括平 面螺旋輻射器、饋電電路板、普通反射腔體和在 普通反射腔體內(nèi)填充的微波吸收材料等。圖2 改進的阿基木德呼面螺董.天線結(jié)構(gòu)田為提高犬線的效率及改善天線方向圖的對稱性，我們在普通阿基米德平面螺旋大線上增加了異形反射腔體、高頻扼流圈，并去掉普通反射腔體內(nèi)填充的微波吸收材料。 1.1平面蝮旋輻射器的設(shè)計平面螺旋輻射器的曲線方程為r = a (卩 土 y)(2)其中,a為螺旋增長率卩為方位角。 各參數(shù)所代表的意義示于圖3.1. 1. 1 多數(shù)a的確定參數(shù)a的計算公式為r(

6、r)=e-2”|£|(3)這里，已稱為設(shè)計比例。為提高天線的輻射效率，在設(shè)計 時應(yīng)使能量主要集中在主輻射區(qū)(周長尊于一個波長的 環(huán)帶)，也就是說，能量在通過土輻射區(qū)時衰減大于 16dBo如圖4所示，當衰減大于16dB時設(shè)計比例r不 小于0.4。如果取主輻射區(qū)邊界處r = 0.4,就可以算出“ 值。1.1.2帶線寬度W和縫障寬度S的計算帶線寬度和縫隙寬度的計尊公式為圖3平面螺就輻射器圖形/rasinW2tanV = (5)a帶線寬度等于縫原寬度的阿基米德平面螺旋天線稱為自補型阿基米德平面螺旋大線。1. 1.3 螺旌半徑門和的確定螺旋半徑小和廠2的計算公式為圖4 主輻射區(qū)能量的衰減與上的

7、關(guān)系曲線（7）其中以九分別為最小和最大工作波長。2003年7月遙測遙控 33 圖5 饋電電路板結(jié)構(gòu)圖(8)圖6 沿軸向阻抗變化示意圖很顯然，只要天線工作頻率范圍已知”八I也就確定了。1.1.4 天線極化的確定沿著夭線輻射方向，當天線的繞向符合右手螺旋定則時即為右旋圓極化，反之為左旋圓極化。圖3所示的平 面螺旋輻射器，當輻射方向是垂直紙面向外時，它就是右旋圓極化。1.2饋電電路板的設(shè)計平面螺旋輻射器的特性阻抗目前尚不能夠從理論上給出一個準確的數(shù)值在作了大量的實驗后我們發(fā)現(xiàn), 當平面螺旋輻射器的特性阻抗按120Q進行匹配時可以得到比較滿意的結(jié)果，天線駐波比在2. 56GHz頻率范 圍內(nèi)小于2. 5

8、。由于自補型阿慕米徳平面螺旋大線為平衡結(jié)構(gòu)而饋電同軸線為非平衡結(jié)構(gòu)，且同軸線特性阻抗為500,所 以需要在天線和同軸線之間增加一個平衡不平衡變換器和阻抗從1200變到500的阻抗變換器。在實際工作中 中我們將阻抗変換器和平衡不平衡變換器制作在 一塊印制板上，并稱之為平衡-不平衡阻抗變換器。 阻抗變換器的設(shè)計有很多種形式，根據(jù)以往的經(jīng)驗， 不同形式的阻抗變換器對天線的影響差別不大，為 使設(shè)計簡單而天線性能又能滿足要求我們采用的 是“無不連續(xù)的近于最隹漸變線阻抗變換器”。同樣， 平衡一不平衡變換器的設(shè)計也有許多種形式，但是， 根據(jù)阿基米德平面嗦旋夭線的結(jié)構(gòu)以及該課題中天 線的工作頻帶，認為補償熨和

9、契比雪夫漸變線型兩 種平衡-不平衡變換器較為合適。它們的電路形式分 別示于圖5(a)和(b)。1.2. 1 無不連續(xù)的近于最佳漸變線阻抗變換器圖6為阻抗變換器沿軸向的阻抗變化放大圖。左端微帶 線待性阻抗乙為天線的特性阻抗1200,右端接同軸線處待 性阻抗Z?為500o在500和120C之間按照“無不連續(xù)近于 最佳漸變線阻抗變換器工”進行設(shè)計，它是一種性能上近于最 佳的，且與瑞接線相連時沒有阻抗階樣形不連續(xù)的漸變線變 換器。變換器長度/2003年7月遙測遙控 # 2003年7月遙測遙控 # 特性阻抗Z(9)(10)lnZ(E) = yln(Z,Z2) + 寺 G(B,Cln(Z2/ZJ其中，函數(shù)

10、G(B,£)為R “sin /(燉一 B：參數(shù)B的數(shù)值可通過最大反射系數(shù)粘“得到，計算公式為(11)上述公式中"，為工作頻率的導(dǎo)引波長廬為相位常數(shù)；/o(-)為第一類變態(tài)的貝塞爾函數(shù);乙為微帶線輸入端特 性阻抗;Z?為微帶線輸岀端待性阻抗疋稱為徑向函數(shù)，有=字。按照上面的公式計算出沿軸向各點的特性阻捉;根據(jù)阻抗值再計算出微帶線寬度。1.2.2 補償型平衡一不平衡阻抗變換器圖5(a)的電路形式稱為補償型平衡不平衡阻抗變換器。2003年7月遙測遙控37設(shè)天線的阻抗為R(本例中為1200),圖中各參數(shù)的關(guān)系為(12)(1 + a) 尺2 平面螺旋輻射器表面，此時，反射波與向前輻射

11、的電磁波相位已不再相等，當二者反相時，天線方向圖軸向?qū)⒊霈F(xiàn) 零點。如果能使二者相位仍然保持相等則反射波與前射波相迭加，天線效率理論上能夠提高一倍，增益將增加 3dB,即約7dB。欲便反射波與前射波相位相等，唯一的辦法就是在反射波傳播過程中改變其相位。我們知道電 磁波在自由空間每傳播一個波長的距離它的相位延遲360。，而平面螺旋輻射器向腔體一側(cè)輻射的電磁波在腔 體底面發(fā)生反射時，它的相位改變180。，也就是說，我們只需使向腔體一側(cè)輻射的電磁波經(jīng)過自由空間傳輸后， 相位延遲180。就可以了，在距離上就是使電磁波傳播半個波長，由此可以知道普通反射腔體的深度H應(yīng)等于波 長的四分之一。(13)最佳電抗斜

12、率a值通常由圖“最佳匹配補償平衡-不平衡變換器”根據(jù)7»/九的關(guān)系査得。不平衡雙線特性 阻抗乙$的大小由W/S的數(shù)值決定。實驗表明，補償線乙段的長度對變換誥最佳諧振頻率點的影響比較大，對駐 波的大小影響不大；乙"的數(shù)值在一個比較合理的范圍內(nèi)變化時，對該變換器影響不太大；不平衡輸入線乙是一 段按照“無不連續(xù)的近于最佳漸變線阻抗變換器”設(shè)計的待性阻抗由50Q變到生成阻抗S的微帶漸變線，根據(jù)上 面的關(guān)系式計算，S = E4Q。按照上面的方法設(shè)計出來的補償型平衡-不平衡阻 抗變換器在端接負載的情況下測得的駐波比曲線水于 圖7。由圖7可見，在端接負載時，變換器的駐波比已經(jīng) 超過2.0

13、而理想的平衡不平衡阻抗變換器英駐波比應(yīng) 小于1.2。由于對該變換器在改進設(shè)計等方面我們目前 還沒有更好的方法，因此決定暫時不用該類型變換器。1. 2. 3 契比雪夫漸變線平衡-不平衡阻抗變換鴛圖5(b)的電路形式稱為寬帶平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器， 由于電路板反面微帶線寬度是按照契比雪夫函數(shù)計算得 到的所以又稱為契比雪夫漸變線平衡-不平衡阻抗變換 器。變換器正面是按照“無不連續(xù)的近于最佳漸變線圖7 阻抗變換器端接負栽時的測試結(jié)果阻抗變換器”的方法設(shè)計的持性阻抗由120Q到50Q的微帶漸變線。反面微帶線頂端是特性阻抗為120C的微帶 線，沿縱向自上而下按契比雪夫函數(shù)計算各處微帶線的寬度。樣機測試表明契比

14、雪夫漸變線平衡不平衡阻抗變換器在端接負載的情況下駐波比小于1.5,與補償型平 衡不平衡阻抗變換器相比，性能上有了很大的改進，因此，我們目前使用的呵基米徳平面螺旋天線均采用該類型的變換器。1.3普通反射腔體的設(shè)計阿基米德平面螺旋天線普通反肘腔體的結(jié)構(gòu)示于圖 8。理論和實際測試都表明，普通反肘腔體的側(cè)壁對天線 軸比和增益的影響較大，因此在設(shè)計時，在允許的尺寸范 圍內(nèi)，應(yīng)使腔體直徑D盡可能大。對于普通阿基米徳平 面螺旋天線多在腔體內(nèi)填入微波吸收材料，這樣做可顯 著提高天線的駐波比、帶寬和軸比待性，但是，天線的效 率卻大大降低。填充微波吸收材料后的增益與普通反射 腔體直徑的關(guān)系曲線示于圖9。從圖9中可

15、以看出，天線 最大增益只有約4dB。另外，在腔體內(nèi)填加吸收材料后， 天線的性能將不受腔戀深度H和側(cè)臂的影響。2關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計2.1異形反射腔體的設(shè)計由于在評通反射控體中填入微波吸收材料會極大降 低天線的輻射效率因此我們決定不加微波吸收材料。但是這會使天線方向圖帶寬變得很窄，因為，對于平 面螺旋輻射器來說，它的輻射是雙向的，向腔體一側(cè)輻射 的電磁波經(jīng)過距離為H的自由空間后到達腔體底部并 反射回來，反射波又經(jīng)過距離為H的自由空間重新到達0DH圖8普通反射腔體結(jié)構(gòu)圖圖10 異形反射腔體結(jié)構(gòu)圖001然而，僅使普通反射腔體的深度H等于波長的四分之一還不夠，因為該天線是寬頻帶天線，當帶寬大于4：1 時

16、，如果我們?nèi)等于頻帶中間頻率點處波長的四分之一，則對于最高工作頻率來說，該深度剛好是它的波長的 二分之一，在最高頻率點，反射波與前射波相位仍然反 相，方向圖正前方將會出現(xiàn)零點。由于天線的能星主要集 中在主輻射區(qū)，當頻率改變時，它的主輻射區(qū)直徑也隨之 改變。如果能夠使反射波在任意頻率點它到達平面螺旋 輻射器表面所經(jīng)過路徑的長度都等于該頻率波長的二分 之一，那么該天線仍然滿足寬頻帶特性。按照這種思路， 我們設(shè)計了如圖1C所示的異形反射腔體。根據(jù)前面的分析，異形反射腔體的設(shè)計應(yīng)注意以下 幾點： 頂端直徑d處的周長等于其所對應(yīng)頻率點的主輻射區(qū)的周長。在這里，取為最為工作頻率點的波長； 頂端直徑d處到

17、平面螺旋輻射器表面的距離等于其所對應(yīng)頻率點波長的四分之一。在這里，取為最高工作 頻率點波長的四分之一； 底端直徑D處的周長的取值同，在這里，取為最低工作頻率點的波長； 底端到平面螺旋輻射器表面的距離的取值同在這里，取為最低工作頻率點波長的四分之一。 以上四點僅是理論設(shè)計應(yīng)注意的，由于實際使用環(huán)境的不同，必須通過仔細調(diào)整才能得到最佳d、D、H值。在增加了異形反射腔體后，我們在26GHz范圍內(nèi)測得天線駐波比小于2. 5,在2.5GHz頻率點處測得天線 軸向增益約等于7dB；在55GHz頻率點處測得天線軸向增益約等于6.3dB,并且天線方向圖沒有發(fā)生變形。這 與我們在本節(jié)開始所分析的結(jié)果基本-致。需

18、要說明的是，增加了異形反射腔體后，駐波比較填充微波吸收材料時略微偏大，駐波比帶寬也沒有填充微 波吸收材料時的寬，但仍然能夠作到十幾個倍頻程以上。2.2高頻扼流圈的設(shè)計£ 11 高頻扼流圈結(jié)構(gòu)圖對于普通的阿基米徳平面螺旋天線，它的E面和H面方向圖寬度是不相等的，直接的結(jié)果就是，在以天線軸 線為圓心的360。圓周上，各點處的場強不相等，如果天線在使用過程中繞自身的軸線高速旋轉(zhuǎn)就會使得周圍的 場強出現(xiàn)大幅度波動，給穩(wěn)定接收/發(fā)射信號造成困難。 因此，必須想辦法克服這一困堆。使天線E面和H面方 向圖波束寬度相等的過程稱為波束等化。波束等化右很 多種方法，在這里，我們采用增加高頻扼流圈的方法，

19、因 為高頻扼流圈不僅能夠等化波束，還町以右效抑制旁誡 電平。高頻扼流圈的結(jié)構(gòu)示于圖11。高頻扼流圈的設(shè)計尺寸要求為：腔深H與環(huán)腔寬度L數(shù)值上等于工作波長的四分之一。環(huán)腔的數(shù)駅越多，對旁瓣電平的抑制效果越好。圖12是增加了高頻扼流圈后（天線表面略低于高頻扼流圈上表面）天線方向圖的變化悄況。可以看出，增加 了扼流圈后在一汩B波東以外，天線方向圖變窄.實際測試發(fā)現(xiàn)，天線表面與高頻扼流圈上表面的相對位買對天線方向圖的影響非常大。圖】3是天線表面分 別低于、平齊髙頻扼流圈上表面時天線方向圖的變化。可以看出，當天線表面略低于高頻扼流圈上表面時，天線方 向圖最好。or圖12 天線方向圖殆變化加扼流（Tmi事

20、圖13 天線方向S的變化3結(jié)束語我們研制的自補型阿基米徳平面螺旋天線，實際上是阿基米德平面螺旋天線的改進型。它基本保持了普通阿 基米德平面螺旋天線寬頻帶的特性（帶寬略低于普通阿基米德平面螺旋天線），同時又大大提高了效率（比普通阿 基米德平面螺旋天線髙約一倍）。目前，該天線已經(jīng)通過了飛行試驗并且圓満地完成了任務(wù)。該課題自】999年開始看手進行研制以來，得到了很多同志的鼓勵和支持，尤其是張鳳林研究員的刪力幫助， 在這里一并向他們表示感謝。參考文獻1 J W Grciser and M L Wahl. New Spiral-Helix Antenna Developed. Electronic Wa

21、rfaretMay-June. 1975.67702 Richard C. Johnson. Antenna Engineering Handbook »Third Edition tR. R. Donne.ley & Sons Company 1993»14-1 14-293 Nathan Marchand .Transmission Line Conversion Transformers. Electronics, vol. 17-2 December 1944 142 1454 R. Bawer And J J Wolfe. A Printed Circui

22、t Balun for Use with Spiral Antennas. IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol. MTT-8.NO. 3,May 1960,3193255 Marchand. The Compensated Balun. IEEE. MTT-14 NO 3,March.1966,1121196 100 s 1 Bandwidth Balun Transformer Proc. IRE February ,1960,156 1647 Willmar K. Roberts. A New Wide-Band Balun. IRE Proc. vol. 45 December 1957 >16281631Design and Analysi