一种基于微带巴伦馈电的平面超宽带螺旋天线的设计

2 平面螺旋天线的设计
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2.1 平面等角螺旋天线基本原理
平面等角螺旋天线的两臂是由两条对称的等角螺旋臂构成。 一条臂绕着 Z 轴旋转 180 度可得 到另外一条臂，其中每一臂也都是由两条起始角相差为 的等角螺旋线构成的。平面等角螺旋天 线的方程为：
r 1 r0 e b
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一种基于微带巴伦馈电的平面超宽带螺旋天线的设计 design of a planar ultra wide band spiral antenna based on microstrip balun feed
韩非凡 陈佳佳 (桂林电子科技大学 信息与通信学院 广西 桂林 541004)
摘 要：本文提出了一种平面超宽带螺旋天线的设计，天线采用微带巴伦来馈电，能够实现了不
平衡到平衡的转换和阻抗变换。使用电磁软件 FEKO 进行仿真运算，仿真结果表明，该天线几乎 能够覆盖超宽带的工作频段 3.1GHz-10.6GHz,并且具有良好的驻波比特性。 在一定工作频段内具 有较好的轴比和方向图特性，可以满足工程设计的需要。
ln( z / z0）
作线性变化的渐变线， 其
z / z0
是由 1 到 ln(
Z L /Z0)作指数变
这样就可
z (l ) Zz Z 0e az 0 Z L , 实现阻抗变换的时候要求
z L z0e al
1 Z a ln( L ) l Z 0 巴伦的最短长度可以通过下面公式[6]算出 以求出指数值，即阻抗变换因子为
关键词：平面螺旋天线 超宽带 微带巴伦 Abstract: A ultra wide band planar spiral antenna fed by microstrip balun is proposed in this
study,whichachieves convering unbalance to abalance and realize impedance match.Adopting electromagnetic software FEKO to carry out simulated calculation,the simulated result shows that the ultra wideband 3.1GHz-10.6GHz is almost covered and has good characteristics of standing wave.Moreover , within a certain working frequency .The antenna has better axial ratio and directional characteristics, which can meet the needs of special requirement of the engineering.
(b ) yoz 面方向图
图 9 f=6.0GHz 的 xoz 面和 yoz 面方向图
5 结论
本文设计和仿真了平面螺旋超宽带天线，并采用微带巴伦馈电，有效地实现了不平衡到平衡 的转换和阻抗变换。经过仿真实验及分析，可以看出所设计的天线具有相对较好的性能，为后续 的天线设计和课题研究打下了较好的基础。由于天线是双面辐射的，天线的增益相对较低，为了 获得单向辐射，在后续的工作中可以在天线的背面添加反射板或者粘贴吸波材料等措施从而提高 增益。
6 参考文献
[1]Tu W H, Li M Y, Chang K. Broadband Microstrip-Coplanar Stripline-Fed Circularly Polarized Spiral Antenna[C]// Antennas and Propagation Society International Symposium 2006, IEEEIEEE, 2006:3669-3672. [2] Liu N, Yang P, Wang W. Design of a miniaturized ultra-wideband compound spiral antenna[C]// Microwave Technology & Computational Electromagnetics (ICMTCE), 2013 IEEE International Conference onIEEE, 2013:255-258. [3]Shih T Y, Behdad N. Miniaturization of a circularly-polarized, uni-directional, ultra-wideband spiral antenna[C]// Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2014 IEEEIEEE, 2014:285-286. [4]Eubanks T W, Chang K. A Compact Parallel-Plane Perpendicular-Current Feed For A Modified Equiangular Spiral Antenna[J]. Antennas & Propagation IEEE Transactions on, 2010, 58(7):2193 - 2202. [5]宋立众，乔晓林，曹丙霞.微带巴伦馈电圆锥等角螺旋天线设计与实验[J].微波学报，2012，28 （1）：29-32. [6]廖承恩.微波技术基础[M].西安电子科技大学出版社,2011. [7]高前超.螺旋天线新型小型化的研究[D].哈尔滨工业大学，2013.
r2 r 0 e b( )
r3 r0 e b( )
r4 r 0 e b( )
式中 、 r2 分别为两臂的外边缘， 3 、 r4 分别为两臂的内边缘， 0 为对应螺旋起始角时的矢 径， b 为螺旋角， 为极坐标参数 , 称为螺旋臂的角宽度，是一个与 无关的常数。一般取
Keywords : planar spiral antenna，ultra wide band，microstrip balun
1 概述
现在的卫星导航多频天线大部分使用的是微带天线，但微带天线是一种谐振器件，效率低、 高 Q 值、 功率容量低、 频带窄等特点。 这使得了卫星导航天线无法最大程度地发挥出天线的作用。 此外卫星导航天线同样需要良好的圆极化特性[1-3]。 而平面螺旋天线是一种非频变天线， 具有结构 稳定，重量轻，圆极化，宽频带等特点，这就使得它在通信和导航系统中得到了广泛的应用，适 合于移动电话，无线局域网等系统的收发天线，针对宽频带和圆极化的要求，研究平面螺旋天线 不仅可以更好地实现卫星导航的功能，还具许多工程上的应用价值[4-5]。本文通过 FEKO 电磁仿 真软件仿真了平面等角螺旋天线，结果表明该天线可以实现圆极化，并且具有超宽带的特性，能 够满足工程上的一些特殊需要。
图 8 最大辐射方向轴比曲线图 图 9 给出了天线的 xoz 面，yoz 面方向图,。从图上可以看出来，天线在 f=6GHz 时，最大增 益可以达到 5.86dB，xoz 面的 3dB 波瓣宽度为 86 度，yoz 面的 3dB 波瓣宽度为 51 度。
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( a ) xoz 面方向图
r
r
r2 ， r3 ， r4 是随着 的变化而变化。
为了减少天线臂上的电流的终端发射，一般把天线末端设置成尖屑形状。根据螺旋天线的工作带 宽要求，一般取 1.5 到 3 圈[5]。本文所研究的平面等角螺旋天线的工作频段是 3.1GHz-10.6GHz， 覆盖了超宽带的工作频段。通过相关计算和结合 FEKO 优化分析功能，确定了天线的相关参数为
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图 3 指数渐变巴伦结构图
4 仿真结果分析
如图 4 所示， 在电磁仿真软件 FEKO 中， 对上面所述的平面螺旋天线和馈电巴伦进行了联合 仿真实验。
图 4 带有微带巴伦馈电的平面螺旋天线 图 5 给出了该天线的电压驻波比曲线图， 从图中可以看出， 在 f=6.0GHz 时， 驻波比小于 1.4， 在工作频段 3.1GHz-10.6GHz 内， 驻波比基本上都小于 2。 这说明在此频段内,天线和馈线匹配良 好， 易于高频电磁能量的传播。 当螺旋角 b 分别取 0.27,0.28,和 0.29 时， 对天线的带宽影响不大， 天线都能在很宽的频带内工作，可是当螺旋角取 0.29 时，天线刚好谐振在 6.0GHz。
lmin
1 z Z ln L max ln L 4 L z0 8 L Z0
L
为终端反射反射系数的模值。巴伦所用的介质基板为
其中 为渐变线的传播常数，
r 4.4 ，h=0.8mm,的 FR4 材料。根据本文要变换的阻抗和材料的参数，利用微带线计算工具
可以计算出 W1 =1.7mm ， W2 大约取 W1 的 5 倍即为 8.5mm，W=0.75mm。
r
r
2 ，使得天线为互补的等角螺旋结构[5]。平面等角螺旋天线的结构示意图如图 1 所示:
图 1 平面等角螺旋天线结构示意图
2.2 平面螺旋天线结构设计
本文将平面螺旋天线印刷在半径为 48mm,厚度为 1.6mm 的 FR4 介质板上。b 的取值一般 为 0.12-1.2[5]， 0 是由最高频率决定的，一般取最高频率所对应波长的 0.05 倍。最大外径是由最 低频率决定的，一般取最低频率所对应波长的 0.13 倍。 1 ，
图 6 输入回波损耗 S11 曲线图 图 7 给出了天线的输入阻抗曲线图，从图中可以得到天线输入阻抗的实部为 49 欧姆，虚部 为-0.14。天线的输入阻抗接近 50 欧姆，说明天线和馈线匹配良好。
图 7 输入阻抗曲线图 图 8 给出了天线的轴比图，从图中可以看出来，该天线在 3.16GHz-6.39GHz 内天线在其最 大辐射方向上轴比小于 3dB，由此可知，该天线在此频段范围内具有良好的圆极化特性。
图 5 电压驻波比曲线图 图 6 给出了天线的 S11 曲线图，从图中可以看出来，在 f=6.0GHz 时，带内回波损耗
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S11=-39.04dB，在 2GHz-10GHz，S11 都是小于-10dB,基本上覆盖了超宽带的工作频段范围。阻 抗带宽为 2GHz-10GHz,绝对带宽为 8GHz。 天线的带宽性能较好， 可以在一个相对较宽的频带内 工作。当螺旋角 b 分别取 0.27,0.28 和 0.29 时，天线在 f=6.0GHz 时所对应的回波损耗值都相对 较小，可是当螺旋角 b 取 0.29 时，天线刚好谐振在 6.0GHz 并且回波损耗值最小。
r0 2.08mm
， b 0.29 ，圈数 c 1.6 ，最大外径 为9.76mm ，螺旋臂的角宽度
2 。平
面等角螺旋天线的结构图如图 2 所示：
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图 2 平面螺旋天线的模型图
3 平面螺旋天线馈电结构设计
平面螺旋天线属于对称平衡辐射结构， 需要两个幅度相等、 相位相差 180 度的信号进行馈电。 如果直接利用微带线或者同轴电缆馈电，那么就会引起了很大的发射。因为微带线，同轴电缆这 些是属于不平衡传输线结构。直接把它和平面螺旋天线相接，就会严重地影响了天线的辐射。为 了解决这个问题，引入了巴伦馈电结构。这里的巴伦具有两个作用：一是实现不平衡到平衡的转 换，二是实现了阻抗变换[5]。而巴伦的形式也有很多。有指数形式的，三角形式的，阶梯形式的 等[6]。考虑到结构简单，本文采用了指数渐变巴伦。其结构图如图 3 所示：接地面的宽度为 W2， 不平衡端口的微带线宽为 W1，平衡端口的微带线宽为 W,介质板的厚度为 h,巴伦的长度为 L。指 数值为 a 指数渐变线是一种 化。即是满足了