一種帶反射腔的超寬帶阿基米德螺旋天線的分析與設(shè)計(jì)

1引言

一般情況下，天線的電性能取決于它的電尺寸，但有一類天線，它們的方向圖、增益、輸入阻抗等電特性參數(shù)在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)電特性變化不大，因此具有超寬帶特性。阿基米德螺旋天線便是典型的超寬頻帶天線之一，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(dǎo)彈中反輻射引信設(shè)備的引向天線，具有重要的作用。

2阿基米德螺旋天線原理

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

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

圖1螺旋雙臂

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

3螺旋天線組合的設(shè)計(jì)

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

圖2螺旋天線組合

3.1微帶螺旋天線的分析和設(shè)計(jì)

阿基米德螺旋天線的兩個(gè)螺旋臂方程是：

式中為起始矢徑，a為增長(zhǎng)率，為角度變量。

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

螺旋增長(zhǎng)率表達(dá)式為：

螺旋天線的最大直徑D表達(dá)式：

3.2反射腔的分析和設(shè)計(jì)

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

實(shí)驗(yàn)證明[3]：反射腔的直徑應(yīng)該等于螺旋天線的直徑。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(shè)計(jì)中，根據(jù)增益要求和仿真設(shè)計(jì)，反射腔深度約取中心頻率的四分之一波長(zhǎng)。

3.3寬帶饋電巴倫的分析和設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)8-18GHz頻帶內(nèi)信號(hào)源到天線功率轉(zhuǎn)換最大，必須做到：

1）輸入端與負(fù)載端良好的匹配；

2）輸入端反射盡可能的小。

由于平面螺旋天線是平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以饋電方式也應(yīng)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(xù)變換的，并兼有平衡饋電方式，是切比雪夫漸變線阻抗變換器的方式之一。