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平面螺旋天線及寬帶巴倫的設計和仿真

呂世東 呂昕

(北京理工大學 電子工程系 53教研室 100081)

摘要：本文介紹了自補型平面等角螺旋天線及寬帶巴倫的原理和設計方法，運用以有限元法為原理的專業軟件Ansoft HFSS 對該天線及寬帶匹配網絡進行仿真，得到良好的結果，對天線方向的設計具有良好的指導意義。

關鍵詞：自補型平面等角螺旋天線 漸變線阻抗匹配 平衡饋電 一 平面等角螺旋天線

1.1 自補型平面等角螺旋天線

天線不能用于寬頻帶的原因是頻率變化時，天線的線性電長度相應的發生變化，從而破壞了天線的電性能。如果天線的外形只由角度決定，而不包含線性長度，則天線的性能就不受頻率的影響。當一種天線的特征只是用角度表征時，該天線的電流在離開饋電點時逐漸減小，那么在電流足夠小處把天線截斷將不會影響它的寬帶特性。等角的螺旋天線表面的幾何形狀可由角度來描述，它滿足非頻變天線形狀的要求。由于沿其表面曲線延伸到無限遠。為給定有限尺寸的天線，必須設計臂長。最低工作頻率發生在總臂長可與波長相比擬時，高于該頻率，方向圖和阻抗特性與頻率無關。平面等角螺旋天線如圖1所示，金屬臂的四條邊緣均為平面等角螺旋線。

邊緣1的方程為10a e ?

ρρ=，邊緣2相對邊緣1旋轉角δ，

其方程為

()20a e ?δρρ?=。天線的另一臂的邊緣應使結構對稱，即

一臂旋轉半圈將與另一臂重合，因而有

()30a e ?πρρ?=和

()

40a e

?δπρρ??=。當

2π

δ=

時，為自補形結構，

方向圖對稱性最好。

平面等角螺旋天線的上限工作頻率由饋電端決定，對于

4ε

=，最小半徑0ρ

約為四分之一波長；下限工作頻率由輪廓半

徑ρ決定，ρ約為四分之一波長。試驗表明，對于半圈至3圈的

螺旋天線，參數a 和δ的影響不顯著，約1圈半時性能最佳。對于平面等角螺旋天線而言，8:1的帶寬是典型的，然而20:1的帶寬也可得到。

圖 1

圖2

試驗表明自補的平面等角螺旋天線有以下特性。 1、在天線平面的法向波束具有較寬的方向圖，場方向圖近似為cos θ，在一定的參數下，半功率寬度近似為900，如圖2所示。

2、由邊射一直到±700的寬角范圍內輻射場近似為圓極化。

3、極化的旋向由螺旋線的擴展方向決定。沿紙面向外的方向輻射右旋圓極化波(如圖1示)，沿相反的方向輻射左旋圓極化波。

4、輸入阻抗理論值為188.5，而實際輸入阻抗偏低，在500MHz～3GHz 的范圍內約為164。

??5、具有較寬的阻抗帶寬(非頻變天線)。

6、天線增益與選用的半功率波瓣寬度有關。半功率波瓣寬度越寬，增益越低；半功率波瓣寬度越窄，增益越高。

總結

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