一種帶反射腔的超寬帶阿基米德螺旋天線(xiàn)的分析與設計

1引言

一般情況下，天線(xiàn)的電性能取決于它的電尺寸，但有一類(lèi)天線(xiàn)，它們的方向圖、增益、輸入阻抗等電特性參數在相當寬的頻率范圍內電特性變化不大，因此具有超寬帶特性。阿基米德螺旋天線(xiàn)便是典型的超寬頻帶天線(xiàn)之一，它具有寬頻帶、圓極化、尺寸小、效率高以及可以嵌裝等優(yōu)點(diǎn)，作為導彈中反輻射引信設備的引向天線(xiàn)，具有重要的作用。

2阿基米德螺旋天線(xiàn)原理

阿基米德螺旋天線(xiàn)可以等效為雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)。如圖（1）中虛線(xiàn)和實(shí)線(xiàn)表示兩臂。

研究圖中,點(diǎn)處的兩線(xiàn)段，設,即和Q為兩臂上對應點(diǎn)，對應線(xiàn)段上的電流相位差π，由Q點(diǎn)沿螺旋臂到點(diǎn)的弧長(cháng)近似等于πr，這里r為的長(cháng)度，故點(diǎn)和點(diǎn)電流的相位差為。若設，則和點(diǎn)相位差為2π.

圖1螺旋雙臂

因此，滿(mǎn)足上述條件，兩線(xiàn)段的輻射是同向疊加。天線(xiàn)的主要輻射集中在周長(cháng)約等于λ的螺旋環(huán)帶上。

3螺旋天線(xiàn)組合的設計

由圖2所示，本文設計的阿基米德螺旋天線(xiàn)由圓形雙臂螺旋天線(xiàn)、反射腔和饋電巴倫組成。用印刷電路很容易實(shí)現天線(xiàn)的加工。

圖2螺旋天線(xiàn)組合

3.1微帶螺旋天線(xiàn)的分析和設計

阿基米德螺旋天線(xiàn)的兩個(gè)螺旋臂方程是：

式中為起始矢徑，a為增長(cháng)率，為角度變量。

本文采用Rogers公司5880微帶片，天線(xiàn)螺旋臂的寬度W1等于螺旋金屬臂之間的寬度W2，形成互補天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)的直徑大于12mm。

螺旋增長(cháng)率表達式為：

螺旋天線(xiàn)的最大直徑D表達式：

3.2反射腔的分析和設計

帶反射腔的螺旋天線(xiàn)可以實(shí)現單向輻射，其效果類(lèi)似帶反射板的偶極子天線(xiàn)。偶極子天線(xiàn)的軸向增益大小與成正比，式中d為偶極子天線(xiàn)到反射板的空間距離。因此，當反射腔深度d=λ/4時(shí)，螺旋天線(xiàn)的增益達到最大，當d=λ/2時(shí)，螺旋天線(xiàn)的增益最?。ㄏ鄳獣?huì )出現主瓣從中間分裂，出現無(wú)增益點(diǎn)）。

實(shí)驗證明[3]：反射腔的直徑應該等于螺旋天線(xiàn)的直徑。反射腔的直徑偏小會(huì )降低增益、增加電壓駐波比、增加橢圓率。反射腔直徑偏大，會(huì )使方向圖畸變。在具體設計中，根據增益要求和仿真設計，反射腔深度約取中心頻率的四分之一波長(cháng)。

3.3寬帶饋電巴倫的分析和設計

為了實(shí)現8-18GHz頻帶內信號源到天線(xiàn)功率轉換最大，必須做到：

1）輸入端與負載端良好的匹配；

2）輸入端反射盡可能的小。

由于平面螺旋天線(xiàn)是平衡對稱(chēng)結構，所以饋電方式也應該采用平衡饋電方式。我們采用同軸阻抗變換器饋電，其特性阻抗是連續變換的，并兼有平衡饋電方式，是切比雪夫漸變線(xiàn)阻抗變換器的方式之一。