多线宽渐变阿基米德螺旋天线及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无源探测系统微波天线领域，特别涉及一种超宽带阿基米德螺旋天线 设计及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子、通信、雷达等技术的迅速发展，整个电子系统的工作频带越来越宽，天 线作为辐射和接收电磁波的载体，对宽带天线的需求日益增多。最早的阿基米德螺旋天线 出现在二十世纪五十年代，它的有效辐射区域随着频率的变化而改变，因此能够在很宽的 频带范围内工作。同时阿基米德螺旋天线具有结构紧凑、重量轻、成本低等优点，因此其在 无源探测、卫星通信等领域获得了广泛的应用。
[0003] 在无源探测领域，系统的工作频带都很宽，天线部分一般均由多个频段多种类型 天线组成。如果能够设计一种宽频带天线，其可以覆盖原来几个天线才能覆盖的范围，则不 仅能减小系统的体积，还能减少天线的成本。因此设计频带宽，同时电性能满足要求的阿基 米德螺旋天线，对于无源探测系统有极其重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了拓展阿基米德螺旋天线的工作频带，使阿基米德螺旋天线能 够在30倍频程甚至更大的倍频程范围内实现良好的方向图、增益。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的解决方案为：根据天线的工作频带确定阿基米 德螺旋辐射器的内外径，采用多组渐变螺旋线宽结构改造传统的阿基米德螺旋天线，减小 原先单一线宽造成的过多绕线圈数，其最内层线宽须适应高频工作，最外层线宽须适应低 频工作，其它线宽取值介于内外线宽之间，总绕线圈数介于20-30之间，并能够覆盖低频辐 射尺寸要求，同时利用电磁仿真软件HFSS/CST分析优化多组螺旋线的线宽及各组螺旋线 的绕线圈数。多组渐变螺旋线宽结构仅需改造传统的单一线宽螺旋线结构，即可在一个天 线上实现几个螺旋天线才能达到的频带宽度，将原先由多个天线实现的功能由一个天线代 替，整体上减小了超宽频带范围内天线数量及尺寸，同时节约了成本。
[0006] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)阿基米德螺旋天线工作频带能达到 30倍频程；(2)阿基米德螺旋天线在30倍频程范围内辐射方向图良好；（3)单个天线替代 了多个传统阿基米德螺旋天线，整体上减少了天线数量及安装空间，同时节约了加工成本。
[0007] 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
【附图说明】
[0008] 图1是多组渐变螺旋线宽结构阿基米德螺旋辐射器；
[0009] 图2是微带指数渐变馈电巴伦；
[0010] 图3是0. 4GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；
[0011] 图4是2GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；
[0012] 图5是8GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；
[0013] 图6是12GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明提出了一种多线宽渐变阿基米德螺旋天线及其实现方法，具体实施步骤 为：
[0015] (1)确定天线的工作频带范围
[0016] (2)确定天线螺旋辐射器的内外径
为低 频f_对应的波长，λ _为高频f _对应的波长，r_为螺旋辐射器的最外半径，r_为螺旋 福射器的起始半径）；
[0017] (3)设计多组渐变线宽结构螺旋辐射器：
[0018] >根据天线工作高频确定螺旋起始线宽W1;根据天线工作低频确定螺旋终止线宽 Wn(n为多组线宽总数）；
[0019] >根据螺旋天线外径r_、起始线宽I、终止线宽Wn，确定^至Wn i及η值，并使螺 旋线的线绕圈数介于20-30之间；
[0020] >根据以上参数，利用电磁仿真软件HFSS/CST建立阿基米德螺旋辐射器模型，仿 真优化线宽1至W "值及不同线宽对应的螺旋辐射器绕线圈数；
[0021] (4)设计微带指数渐变馈电巴伦：
[0022] >根据螺旋辐射器端口阻抗计算微带线线宽；
[0023] 灸采用指数方程y = aXebx+cXx设计指数渐变巴伦（a、b、c均为常数，其数值由 基板材料、长度及巴伦两端端口阻抗决定）；
[0024] (5)根据多组渐变线宽螺旋辐射器、微带指数渐变巴伦设计对应的安装腔；超宽 带阿基米德螺旋天线工作频带达到30倍频程，为了保持其宽频带特性，腔体内部填充微波 吸波材料。
[0025] 根据上述方法设计得到的多线宽渐变阿基米德螺旋天线，多组渐变螺旋天线线宽 由内向外步进增加，最内层线宽根据工作频带的高频确定，最外层线宽根据工作频带的低 频确定，其它线宽介于两个线宽之间，多种渐变螺旋线宽的总绕线圈数介于20-30之间。
[0026] 实例：
[0027] 多组渐变线宽线宽阿基米德螺旋天线工作频带为0. 4GHz-12GHz的；螺旋辐射器 采用Arlon AD255作为板材，介电常数2. 55,厚度1.016mm，螺旋辐射器由四组线宽组成， 从内至外各线宽分别为1= 0. 6mm，W2= 0. 9mm，W3= 1. 5mm，W4= 2. 2mm，螺旋线绕总圈数 为28 ;微带巴伦采用Rogers R04350B作为板材，介电常数为3. 48,介质基板厚度1. 524mm， 根据阻抗匹配要求，微带巴伦上层金属两端线宽分别为0. 8mm及3. 6mm，微带巴伦下层金属 地两端线宽分别为0. 8mm及30mm ;图3是0. 4GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；图4是 2GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；图5是8GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图；图6 是12GHz阿基米德螺旋天线的辐射方向图。
【主权项】
1. 多线宽渐变阿基米德螺旋天线实现方法，其特征为： 步骤一：确定天线的工作频带范围：fmin-fmax; 步骤二：确定天线螺旋辐射器的内外径：2 3ir_彡1. 25λ_，r_<λ_/8,其中λ_ 为低频f_对应的波长，λ_为高频f_对应的波长，r_为螺旋辐射器的最外半径，r_为 螺旋辐射器的起始半径； 步骤三：设计多组渐变线宽结构螺旋辐射器： (1)根据天线工作高频确定螺旋起始线宽W1;根据天线工作低频确定螺旋终止线宽Wn 其中η为多组线宽总数；(2)根据螺旋天线外径r_、起始线宽％、终止线宽Wn，确定^至 Wni及η值，并使螺旋线的线绕圈数介于20-30之间；（3)根据以上参数，利用电磁仿真软件 HFSS/CST建立阿基米德螺旋辐射器模型，仿真优化线宽1至Wη值及不同线宽对应的螺旋 辐射器绕线圈数； 步骤四：设计微带指数渐变馈电巴伦： (1)根据螺旋辐射器端口阻抗计算微带线线宽；（2)采用指数方程y=aXebx+cXx设 计指数渐变巴伦，其中a、b、c均为常数，其数值由基板材料、长度及巴伦两端端口阻抗决 定； 步骤五：根据多组渐变线宽螺旋辐射器、微带指数渐变巴伦设计对应的安装腔；超宽 带阿基米德螺旋天线工作频带达到30倍频程，为了保持其宽频带特性，腔体内部填充微波 吸波材料。2. -种多线宽渐变阿基米德螺旋天线，其特征为：多组渐变螺旋天线线宽由内向外步 进增加，最内层线宽根据工作频带的高频确定，最外层线宽根据工作频带的低频确定，其它 线宽介于两个线宽之间，多种渐变螺旋线宽的总绕线圈数介于20-30之间。
【专利摘要】本发明公开了多线宽渐变阿基米德螺旋天线及其实现方法。本发明可以拓展阿基米德螺旋天线的工作频带范围，使阿基米德螺旋天线在超宽频带范围内能够有效辐射电磁波。本发明采用多组渐变螺旋线宽结构拓展阿基米德螺旋天线的频带带宽，使阿基米德螺旋天线在超宽频带范围内端口阻抗变化小，辐射方向图良好，并且在低频段增益能够达到一般宽带阿基米德螺旋天线的增益值。本发明采用的多组渐变螺旋线宽结构使阿基米德螺旋天线工作频带超过30倍频程，并且天线在工作频带范围内能够实现良好的方向图、增益及驻波性能，本发明将原先多个阿基米德天线实现的功能用一个天线代替，减小了超宽频带使用时天线的数量及尺寸，同时节约了成本。
【IPC分类】H01Q1/36
【公开号】CN105261828
【申请号】CN201510746503
【发明人】徐海鹏, 钱长远, 王国年
【申请人】中国船舶重工集团公司第七二四研究所
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月5日