一种共形宽带圆极化螺旋天线的设计✴

刘宗全，钱祖平，2，韩振平

（1.解放军理工大学，南京210007；2.东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096）

一种共形宽带圆极化螺旋天线的设计✴

刘宗全1，钱祖平1，2，韩振平1

（1.解放军理工大学，南京210007；2.东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096）

为满足共形天线低剖面特性的要求，设计并制作了一种低剖面的圆极化阿基米德螺旋天线。天线利用单臂阿基米德螺旋结构实现圆极化辐射，并采用同轴探针馈电。实测结果表明，天线在2～11.4 GHz的频率范围内回波损耗小于-10 dB，轴比小于3 dB的频率范围为2.5～8.4 GHz。该天线结构简单，工作频带宽，且剖面极低，可作为多种载体的共形天线使用。

共形天线；圆极化；平面螺旋；宽带；低剖面

1 引言

平面螺旋天线由于其结构的自相似性，具有超宽的频带、稳定的增益以及较低的轴比，在现代通信中有着广泛的应用［1］。阿基米德螺旋天线作为平面螺旋天线的一种形式，在结构上一般有单臂、双臂和四臂几种。对于双臂或四臂螺旋天线来说，由于天线在结构上是对称的，必须采用平衡馈电方式——巴伦。文献［2］设计了一种用EBG和金属地混合结构作反射腔的双臂螺旋天线，虽然背腔高度不高，但由于巴伦结构的存在，使天线总的剖面较高。文献［3，4］利用指数渐变的微带线——双线结构进行馈电，设计出了小型阿基米德螺旋天线。文献［5］则是利用四等分馈电网络和阻性终端负载，设计出低剖面的四臂阿基米德螺旋天线。以上的多臂螺旋天线的馈电部分使得天线剖面较高或者设计复杂，而采用单臂螺旋天线则能克服上述缺点［6，7］。其中文献［7］通过对单臂螺旋天线背腔填充吸收材料，使天线单向辐射的同时实现了低剖面，同时对不加背腔的单臂螺旋天线的理想模型作了理论分析。

由于文献［7］的单臂螺旋天线的理想模型中的介质材料为空气，结构上不够稳固，实际用途不大。本文在此基础上，讨论了低剖面的单臂螺旋天线的设计与制作，一方面验证了前面理论分析的正确性，另一方面将该天线的理想模型实用化。仿真和测量结果表明，设计的天线具有良好的宽带特性和稳定增益，证明了设计的有效性。由于所设计的天线厚度仅为1mm，总的半径为30mm，实现了极低剖面的要求，而且结构简单，易于加工，能够满足共形天线应用场合的需要。

2 天线设计

2.1 工作原理

天线的极坐标方程为r=r0φ，其中r0为旋转增长率，φ为幅角，用弧度表示。天线的有效辐射区位于r=λ／2π的螺线段上，而在有效辐射区外，电流变得很小，基本上没有辐射。有效辐射区与波长有关，其位置会随频率在天线上移动，由于螺线的几何形状是光滑的，因此当频率变低、有效辐射区离螺线中心较远时，其性能变化不大。天线工作的高频和低频段由螺旋最小半径rmin和最大半径rmax决定。天线的周长C=2πrmax。在辐射区内，沿着螺线相差四分之一波长的两点相位相差90°，而此时电流方向是相互垂直的，电流的大小也几乎相等，因此满足了产生圆极化波的条件。螺线的绕向决定了辐射圆极化波的旋向。

2.2 天线结构

天线采用单臂阿基米德螺旋结构。螺旋线和地板分别印刷在介质基板的两侧。介质基板的相对介电常数为2.55，总半径R1=30mm，厚度H=1mm。旋转增长率r0=0.64mm／rad，起始幅角为φ1= π／2 rad，最大幅角为φ2=13πrad，天线臂宽为D=

2mm。馈电部分采用同轴探针直接馈电。因此相对于通常馈电结构——巴伦，馈电部分的设计得到较大简化。同轴线外导体接地板，内导体穿过介质板连接至螺旋臂上。地板半径R2=5mm，其中心偏置位于螺旋起始位置下方。具体结构如图1所示。

3 仿真与测量结果分析

利用软件HFSS10.0进行仿真设计，并根据仿真结果得到的天线设计参数制作了天线实物，如图2所示。

用矢量网络分析仪对天线的S参数进行了测量，仿真和测量结果如图3所示。测量结果表面，天线在2～11.4 GHz的频率范围内，回波损耗小于-10 dB。图4给出的是轴比随频率变化测试曲线。从中可以看出，实测的天线轴比（＜3 dB）带宽范围为2.5～8.4 GHz。天线在小于2 GHz和大于8.5 GHz

时，轴比性能恶化严重。这是因为，当工作频率低于2 GHz时，即工作波长大于150mm，对应的有效辐射区螺旋段周长为150mm，半径约为24mm，而该天线最大半径为rnzx=r0φ2=26mm，有效辐射区接近天线尾部边缘甚至不在天线上，也就不能辐射良好的圆极化波。对于工作频率高于8.5 GHz时，此时对应的工作波长小于35mm，对应半径约为5mm，而接地板半径也为5mm，也就是说有效辐射区位于接地板范围内，这使得接地板引起的镜像电流对天线上的电流产生扰动，破坏了天线表面原有的行波电流分布，从而使轴比恶化。

图5为天线的实测归一化方向图。图5（a）、（b）、（c）分别为2.5 GHz、6 GHz和8.5 GHz的辐射方向图。图5（a）、（b）的方向图比较稳定，最大辐射方向位于正z轴方向，当工作频率为8.5 GHz时，天线最大辐射方向发生偏离，且有波瓣分裂的趋势，此时背向辐射较正z轴方向大。这是因为此时地板的反射对天线上电流产生扰动，同时由于天线本身不是关于z轴对称，造成这种扰动也不对称，继而影响辐射方向图。

图6给出的是天线方向系数随频率变化曲线图。从图中可以看出，天线在中心频点附近（3.5～7.5 GHz）的频带内，方向系数变化较为稳定。当天线频率大于7.5 GHz时，变化较剧烈。这可以从图5的方向图变化得到解释。因为当频率越大（比如大于7.5 GHz），有效辐射区越接近地板的反射区范围，此时方向图受到的影响越剧烈，包括波瓣分裂、最大辐射方向偏离等，这些都会导致方向系数的降低。

4 天线参数的性能影响分析

4.1 接地板半径

接地板的存在扰乱了天线表面电流分布，破坏了螺旋天线非频变的特性，因此接地板尺寸对天线性能有着重要影响。图7给出的是接地板半径R2对天线回波损耗和轴比的影响。从图中可以看出，当半径为3mm时，回波损耗以及在低频处的轴比较差，这可能是因为此时地板半径过小，对连接在地板上的同轴线外导体电流分布影响较大，从而直接影响到回波损耗和轴比性能。当地板半径为7mm时，回波损耗得到改善，而轴比性能较差，原因同样可解释为：此时反射区的变大，对天线电流分布影响范围增大，而天线上每段区域对应相应的工作频率，这样就使得整个频带轴比恶化。

4.2 天线臂宽

螺旋天线的关键参数是旋转增长率，当作为微带结构印刷在介质板上后，其臂宽成为天线的重要参数之一，因为它直接影响了天线的阻抗匹配性能，进而影响其它参数性能。图8给出的是臂宽D对天线回波损耗和轴比的影响。从图中可以看出，臂宽D对天线的影响较大。当天线臂宽越宽时，回波损耗和轴比性能变得较差。这是因为，当臂宽增加时，臂间距缩小，使得相互间的耦合增加，从而使天线的各种性能变差。

5 结论

本文设计并制作了一种低剖面的宽带圆极化螺旋天线，验证了单臂螺旋天线设计理论的有效性。仿真与实测结果表明，天线有着良好的阻抗带宽和圆极化带宽，在工作频带内增益稳定。对天线性能参数的分析研究表明，天线地板半径和螺旋臂对天线性能的有较大影响。该天线结构简单，易于加工，而且剖面极低，厚度仅为1mm，可共形于飞行器或其它气动结构表面。

［1］Kraus JD，Marhefka R J.Antennas for allapplications［M］. 3rd ed.New York：McGraw Hill，2002.

［2］Liu Chun-heng，Lu Yue-guang，Du Chun-lei，et al. The Broadband Spiral Antenna Design Based on Hybrid Backed-Cavity［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，58（5），2010：1876-1882.

［3］王亚伟，王光明，张晨新，等.一种新型曲折臂阿基米德螺旋天线［J］.现代雷达，2010，32（9）：67-69.

WANG Ya-wei，WANG Guang-ming，ZHANG Chenxin，et al.A Novel Meander Archimedean Spiral Antenna［J］.Modern Radar，2010，32（9）：67-69.（in Chinese）

［4］朱玉晓，钟顺时，许赛卿，等.小型化平面螺旋天线及其宽频带巴伦的设计［J］.上海大学学报（自然科学版），2008，14（6）：581-584.

ZHU Yu-xiao，ZHONG Shun-shi，XU Sai-qing，et al. Design of Miniaturized Planar Spiral Antenna and Its Wideband Balun［J］.Journal of Shanghai University（Natural Science），2008，14（6）：581-584.（in Chinese）

［5］景小东，张福顺，焦永昌.一种低剖面平面螺旋天线的设计［J］.空间电子技术，2008，5（1）：47-50.

JING Xiao-dong，ZHANG Fu-shun，JIAO Yong-chang. Design of a low-profile planar spiral antenna［J］.Space Electronic Technology，2008，5（1）：47-50.（in Chinese）

［6］Mehrabani A M，Shafai L.Low Profile Offset-fed Single Arm Spiral Antenna over an AMC Ground Plane［C］／／Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Toronto，Canada：IEEE，2010：1-4.

［7］Hisamatsu Nakano，Ryohei Satake，Junji Yamauchi.Extremely Low-Profile，Single-Arm，Wideband Spiral Antenna Radiating a Circularly Polarized Wave［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，58（5），2010：1511-1520.

LIU Zong-quan was born in Chaohu，Anhui Province，in 1984.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2006.He isnow a graduate student.His research direction ismicrostrip antenna technology.

Email：zongquan1984＠163.com

钱祖平（1961—），男，江苏海门人，2000年于东南大学获博士学位，现为解放军理工大学教授、博士生导师，主要研究方向为计算电磁学、微波技术、天线技术等；

QIAN Zu-ping was born in Haimen，Jiangsu Province，in 1961.He received the Ph.D.degree from Southeast University in 2000.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include computational electromagnetism，technology ofmicrowave and antenna.

Email：qzp811＠sina.com

韩振平（1986—），男，山西阳泉人，2009年于西安电子科技大学获学士学位，现为解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为天线理论与设计。

HAN Zhen-ping was born in Yangquan，Shanxi Province，in 1986.He received the B.S.degree from Xidian University in 2009. He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design.

Email：15995978982＠163.com

Design of a Conformal Wideband Circularly Polarized Spiral Antenna

LIU Zong-quan1，QIAN Zu-ping1，2，HAN Zhen-ping1
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.State Key Laboratory of MillimeterWaves，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order tomeet the demand of low-profile property of conformal antenna，a low-profile circularly polarized Archimedean spiral antenna is designed and manufactured.The antenna realizes circular polarization by single Archimedean spiralarm which is fed by coaxial line.Themeasured results show that in 2～11.4 GHz the return loss is less than-10 dB.The bandwidth for AR（axial ratio）＜3 dB is 2.5～8.4 GHz.The antenna configuration is simplewith wide bandwidth and especially its profile is extremely low.Therefore it can be used as conformal antenna formany kinds of carriers.

conformal antenna；circular polarization；planar spiral；wideband；low-profile

The National Natural Science Foundation of China（No.60872046）

TN82

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.019

刘宗全（1984—），男，安徽巢湖人，2006年于空军工程大学获学士学位，现为解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为微带天线技术；

1001-893X（2011）11-0094-05

2011-06-20；

2011-08-30

国家自然科学基金资助项目（60872046）