1.1 天線輻射元的設計 阿基米德螺旋天線是一種自互補天線,即天線臂寬與間隔相等。對于自互補結構的天線,由巴俾涅原理知其輸入阻抗為60πΩ。如微帶襯底介電常數為εr,則輸入阻抗 選擇普通基板εr=4.6,基片厚度h=1 mm,這樣天線的輸入阻抗約為Z0=112.6Ω。天線外圈周長必須大于1.25倍λmax,饋電點間距必須小于λmin/4。 1.2 背腔設計 要獲得單向輻射,需要用到反射腔,也可以在背腔內填充吸波材料,考慮到增益,本文腔體內部不填充吸波材料,而直接采用λ/4扼流套作為背腔。其基本結構如圖2所示,在同軸線外部加上一個長度為λ/4的金屬套,底端與同軸線外皮短接,該金屬套與同軸線的外導體構成一個特性阻抗為Zc的新同軸線L,且終端短路。易知,終端短路的λ/4長的同軸線有開路效應即從L頂端向下看去,特性阻抗為Zc的同軸線的輸入阻抗為無窮大,也就是說如果在該段傳輸線上有電壓電流分布,則最頂端為電壓腹點,電流節點,從而這種結構有一定的扼流作用。 1.3 輸入阻抗匹配設計 由阿基米德螺旋天線的輻射機理可知,要保證輻射為軸向輻射,輻射場為圓極化,必須要求等輻反相對其饋電,即要求平衡饋電,而同軸線是不平衡饋電系統,所以應在饋電端與天線之間加一個不平衡至平衡的變換器,即巴倫。寬頻帶的同軸線到微帶線的轉換巴倫通常采用錐削巴倫,駐波帶寬可以達到8倍頻程以上,但是這種巴倫不易于加工,并且在巴倫變換段出現了射頻泄漏,會影響天線的方向圖,本文采用一種窄帶的匹配,采用了空心的同軸變換段代替巴倫,這種結構帶來了饋電不平衡等影響,但是加工實驗方便,前期設計時可以采用。 本文針對空心同軸段長度及基板厚度做過實驗,分別測試對天線輸入駐波的影響。空心同軸段取6~10 mm,介質基板厚度取O.5~1.5 mm,發現在空心段長為8 mm,基板厚為O.5 mm時,駐波特性較好,駐波測試曲線如圖3所示。在1~8 GHz的寬頻帶內駐波都小于2,證明這種窄帶匹配還具有不錯的效果。 1.4 測試結果 由于阿基米德螺旋天線是螺旋天線,需要測試其圓極化性能。方向圖測試時要分幾種情況分別測量,即在發射天線水平或垂直極化時,將螺旋天線旋轉一定測試角度(如45°),然后再由測試數據計算得到天線圓極化特性,圖4為螺旋天線水平放置,發射天線垂直極化時測得的兩個頻率對應方向圖。天線在同樣條件下放置時的增益曲線如圖5所示。由天線各方向放置時測得的方向圖曲線得到天線的軸比如圖6所示。 2 結 語 本文仿真并設計了帶寬為2~7 GHz的平面雙臂阿基米德螺旋天線,給出的測試結果表明這類天線駐波帶寬(VSWR<2)可以達到8倍頻程以上;方向圖在低端3 dB寬度(半功率寬度)較寬,隨頻率的增加逐漸變窄;設計頻帶內增益在2 dB左右;天線軸比在3 dB以內,且越到高端,軸比越大,圓極化性能越差。 |