2 2 雷达与对抗 　　　　　　　2004 年 　　第 4 期 13 平面螺旋天线的设计与实现 陈小娟 ,袁乃昌 (国防科技大学 微波中心 ,湖南 长沙 410073) 摘 　要 :平面阿基米德螺旋天线具有极宽的工作频带 ,然而其匹配平衡电路的宽频带实现则较 难 ,尤其是在加反射腔以使其单向辐射时 。在 4～6GHz 范围内仿真并实际制作出了用于某 S 波 段雷达系统单向辐射的平面螺旋天线 ,给出了设计参数值 、仿真结果及实测结果 。 关键词 :阿基米德螺旋天线 ; 宽频带 ; 巴仑 ; 反射腔 中图分类号 :TN823. 31 　文献标识码 :A 　文章编号 :1009 0401 (2004) 04 0031 03 ΞΞΞ Design and implementment of a planar spiral antenna CHEN Xiao juan , YUAN Nai chang ( Microwave center , National University of Defense Technology , Changsha 410073 , China ) Abstract :Planar Archimedean antenna can work in a very wide band , while the wideband matching network is difficult to be implemented , especially in adding a reflecting cavity to get a unidirectional radiation. In this article a unidirectional radiating spiral antenna is modeled on HFSS between 4GHz and 6GHz and then is made to work in an S spot test are also given. Key words : Archimedean antenna ; wideband ; balun ; reflecting cavity band radar system , and the design parameters ,simulation results and on the 1 　引 　言 阿基米德螺旋天线 1 是一种宽频带天线 ,因其结 构紧凑 、尺寸小 、重量轻而得以广泛应用 。图 1 所示为 一两臂阿基米德螺旋天线 ,如果两臂等幅反相馈电 ,可 在宽频带内获得双向的圆极化辐射 ,并且在很宽的频 带内天线的输入阻抗不变 。在天线平面的上方为右旋 圆极化 ,下方为左旋圆极化 ,在天线背部加一反射腔则 可得一单向圆极化辐射的天线 。该天线近些年在电子 战领域得到广泛的重视 2 ,3 ,主要原因是其宽频带特 性正好满足雷达对抗的需求 。本文巧妙地利用反射腔 作为四分之一波长巴仑 ,并调节内同轴介质的长短以 获得宽频带内的平衡及匹配 ,效果良好 。 2 　工作原理 阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增 图 1 　两臂阿基米德平面螺旋天线 加 : r = r0 + a (1) 式中 , r0是起始半径 , a 是螺旋增长率 , 是角度 (弧 度) 。但是不可能像非频变天线要求的那样按式 (1) 使 其结构缩比到无限小 。因此 ,对高端频率有所限制 。 但是 ,若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电 ,那么馈 电点附近 ,由大小相等方向相反的电流产生的辐射场 在远区互相抵消 ,在螺旋的周长接近一个波长时有最 收稿日期 :2004 作者简介 :陈小娟 (1977 - ) ,女 ,江苏如皋人 ,国防科技大学电子科学与工程学院硕士研究生 ,主要从事微波电路 、天线 06 29 等领域的研究 。 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 

2 2 23 雷达与对抗 　　　　　　　2004 年 　　第 4 期 大辐射 。由文献 4 知周长为 λ的圆环上的行波电流 将辐射圆极化波 ,因此 ,在周长为一个波长附近的区 域 ,形成平面螺旋的主要辐射区 。当频率变化时 ,主要 辐射区随之变动 ,方向图基本不变 。因此 ,天线具有宽 频带工作特性 。对应最低频率天线要有 1. 25λmax ,对 最高频率 ,由馈电点间隔尺寸决定 ,其间隔必须小于 λmin/ 4 。 为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射 ,通常 在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料 。这 样螺旋线上是行波电流 ,它产生的是圆极化波 。如果 存在从末端反射回馈电点的电流 ,它辐射的是反相圆 极化波 。平衡馈电的巴仑可放在反射腔内 ,这样可避 免方向图倾斜并可以用同轴线馈电 。 3 　设计与实现 工作中我们选择自互补天线 ,即天线臂宽与间隔 相等 。对于自互补结构的天线 ,由巴俾涅原理知其输 入阻抗为 60πΩ ,如衬底介电常数为 εr ,则输入阻抗为 60π/ (εr + 1) / 2 。文中取 εr = 4. 6 , 基片厚度 h = 1mm ,这样天线的输入阻抗 Z0 = 112. 6Ω。天线直径 D = 35mm ,馈电点间距 d = 4mm , a 取 0. 19 。天线尽量绕 密以增加有效辐射的圈数 ,提高增益 ,并且天线方向图 不至于抖动厉害 ,本文中天线绕 13 圈 ,线宽和间距都 为 0. 3mm。 由于需要获得单向辐射 ,所以需要用一反射腔 ,考 虑到增益问题 ,本文腔体内部不填充吸波材料 。本文 中取腔长为中心频率点波长的四分之一 ,馈电为同轴 馈电 ,采用内导体直径 1mm、外导体内径 4mm、填充介 电常数为 2. 2 的聚四氟乙烯的同轴 (特性阻抗 50Ω) , 如直接馈电则驻波将大于 2 ,显然不希望如此 。考虑 到该尺寸空气介质同轴线特性阻抗为 83Ω ,如在 Z0与 50Ω之间加一段 83Ω 同轴线将会使驻波可调至最佳 1. 2 左右 ,且此种结构较易实现 ,通过调节聚四氟乙烯 填充的长度即可完成对天线的匹配 。馈电匹配装置位 于反射腔的轴线上 ,这样同轴线的外导体的外壁与反 射腔的内壁则又构成一扼流式平衡器 ,可以有效地对 天线起到平衡作用 。 设计初期 ,笔者使用 HFSS 进行了仿真 ,图 2 为仿 真结果 。 由图 2 可以看出 ,在 2. 5～7. 5GHz 频率范围内驻 波比小于 2 ,方向图形状较好 ,增益为 3dB 。图 3 为实 际测试结果 ,在 4～6GHz 范围内驻波小于 1. 5 ,方向图 对称性较好 。实测结果与仿真结果相吻合 。 4 　结 　论 图 2 　HFSS 仿真结果 本文仿真并研制出了单向辐射的宽频带工作的阿 基米德螺旋天线 ,如图 4 所示 。该天线在 4～6GHz 工作 频带内驻波小于 1. 5 ,增益大于 2dB ,方向图对称性好 , 轴比小于 2dB 。 参考文献 : 1 　Kaiser. The Archimedean Two wire Spiral Antenna IRE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND J . PROPAGATION , 1960 (5) . 2 　Takashi Iwasaki. A Unidirectional Semi circle Spiral © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 

陈小娟 　等 　　平面螺旋天线的设计与实现 33 图 3 　实测结果 图 4 　成品照片 　Antenna for Subsurface Radars J . IEEE TRANSAC TIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY , 1994 ,36 (1) . 3 　滕秀文. 电子战用平面螺旋天线J . 电子对 抗 , 1990 (3) . 4 　刘克成 , 宋学诚. 天线原理 M . 北京 :国防科 技大学出版社 ,1989. 5. 征 稿 启 事 本刊欢迎有价值的相关学术论文投稿 。来稿请按标准论文格式编排并给出文章的中图分类号 。附图要求简 洁 ,图字均用小五宋 ,激光打印 。并附 :英文题目 、摘要和关键词 ,第一作者的个人简介 (出生年 、性别 、出生地 、职 称 、学位和现从事的工作) ,详细的通信地址和电话 。来稿请附软盘文件或通过压缩附件用 E - mail 发送过来 。 为了杜绝学术腐败 ,维护科学的严肃性 ,严禁抄袭 、一稿多投 。来稿将在一个月内给予答复 。稿件一经刊用 , 即付稿酬 ,并赠送当期样刊 。 通信地址 :南京市 319 信箱《雷达与对抗》编辑部 (邮编 210003) 电子信箱 :post @cnradar. com 电 　　话 :025 - 58592715 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 《雷达与对抗》编辑部