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平面螺旋天线及宽带巴伦的设计和仿真
吕世东 吕昕
(北京理工大学 电子工程系 53教研室 100081)
摘要：本文介绍了自补型平面等角螺旋天线及宽带巴伦的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS 对该天线及宽带匹配网络进行仿真，得到良好的结果，对天线方向的设计具有良好的指导意义。
关键词：自补型平面等角螺旋天线 渐变线阻抗匹配 平衡馈电 一 平面等角螺旋天线
1.1 自补型平面等角螺旋天线
天线不能用于宽频带的原因是频率变化时，天线的线性电长度相应的发生变化，从而破坏了天线的电性能。如果天线的外形只由角度决定，而不包含线性长度，则天线的性能就不受频率的影响。当一种天线的特征只是用角度表征时，该天线的电流在离开馈电点时逐渐减小，那么在电流足够小处把天线截断将不会影响它的宽带特性。等角的螺旋天线表面的几何形状可由角度来描述，它满足非频变天线形状的要求。由于沿其表面曲线延伸到无限远。为给定有限尺寸的天线，必须设计臂长。最低工作频率发生在总臂长可与波长相比拟时，高于该频率，方向图和阻抗特性与频率无关。平面等角螺旋天线如图1所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。
边缘1的方程为10a e ?
ρρ=，边缘2相对边缘1旋转角δ，
其方程为
()20a e ?δρρ?=。天线的另一臂的边缘应使结构对称，即
一臂旋转半圈将与另一臂重合，因而有
()30a e ?πρρ?=和
()
40a e
?δπρρ??=。当
2π
δ=
时，为自补形结构，
方向图对称性最好。
平面等角螺旋天线的上限工作频率由馈电端决定，对于
4ε
=，最小半径0ρ
约为四分之一波长；下限工作频率由轮廓半
径ρ决定，ρ约为四分之一波长。试验表明，对于半圈至3圈的
螺旋天线，参数a 和δ的影响不显著，约1圈半时性能最佳。对于平面等角螺旋天线而言，8:1的带宽是典型的，然而20:1的带宽也可得到。
图 1
图2
试验表明自补的平面等角螺旋天线有以下特性。 1、在天线平面的法向波束具有较宽的方向图，场方向图近似为cos θ，在一定的参数下，半功率宽度近似为900，如图2所示。
2、由边射一直到±700的宽角范围内辐射场近似为圆极化。
3、极化的旋向由螺旋线的扩展方向决定。沿纸面向外的方向辐射右旋圆极化波(如图1示)，沿相反的方向辐射左旋圆极化波。
4、输入阻抗理论值为188.5，而实际输入阻抗偏低，在500MHz～3GHz 的范围内约为164。
??5、具有较宽的阻抗带宽(非频变天线)。
6、天线增益与选用的半功率波瓣宽度有关。半功率波瓣宽度越宽，增益越低；半功率波瓣宽度越窄，增益越高。
