一種帶反射腔的超寬帶阿基米德螺旋天線的分析與設計

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在相當寬的頻率范圍內電特性變化不大，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點，作為導彈中反輻射引信設備的引向天線，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）中虛線和實線表示兩臂。

研究圖中,點處的兩線段，設,即和Q為兩臂上對應點，對應線段上的電流相位差π，由Q點沿螺旋臂到點的弧長近似等于πr，這里r為的長度，故點和點電流的相位差為。若設，則和點相位差為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約等于λ的螺旋環帶上。

3螺旋天線組合的設計

由圖2所示，本文設計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現天線的加工。

圖2螺旋天線組合

3.1微帶螺旋天線的分析和設計

阿基米德螺旋天線的兩個螺旋臂方程是：

式中為起始矢徑，a為增長率，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，形成互補天線。螺旋天線的直徑大于12mm。

螺旋增長率表達式為：

螺旋天線的最大直徑D表達式：

3.2反射腔的分析和設計

帶反射腔的螺旋天線可以實現單向輻射，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，當反射腔深度d=λ/4時，螺旋天線的增益達到最大，當d=λ/2時，螺旋天線的增益最小（相應會出現主瓣從中間分裂，出現無增益點）。

實驗證明[3]：反射腔的直徑應該等于螺旋天線的直徑。反射腔的直徑偏小會降低增益、增加電壓駐波比、增加橢圓率。反射腔直徑偏大，會使方向圖畸變。在具體設計中，根據增益要求和仿真設計，反射腔深度約取中心頻率的四分之一波長。

3.3寬帶饋電巴倫的分析和設計

為了實現8-18GHz頻帶內信號源到天線功率轉換最大，必須做到：

1）輸入端與負載端良好的匹配；

2）輸入端反射盡可能的小。

由于平面螺旋天線是平衡對稱結構，所以饋電方式也應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。