加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线

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摘要：介绍了平面等角螺旋天线的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS对加平板式低剖面等角螺旋天线(EASPEC)进行了仿真；研究了一种加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线(EASEBG)，该天线是在保持低剖面和不扩大横切面积的情况下，将小型EBG结构插入加平板式低剖面等角螺旋天线中，以优化轴比。仿真结果表明，加载电磁带隙结构的模型在工作频带4~8 GHz内降低了轴比(特别是在5~7 GHz内降低了3 dB的轴比)，且没降低增益。在不改变外形尺寸的情况下，为优化低剖面等角螺旋天线的性能提出了一种可行的技术途径。

关键词：等角螺旋天线； 电磁带隙结构； 低剖面； 宽带

中图分类号：TN957.234文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23009503

Lowprofile Equiangular Spiral Antenna Based on Electromagnetic Bandgap(EBG)

LIU Ningchuan, LI Hao, LI Jiayin

(College of Physical Electronics， University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract： The principle and design approach of equiangular spiral antenna are introduced. A lowprofile equiangular spiral antenna backed by a perfect electric conductor (EASPEC antenna) which is analyzed by using the professional software Ansoft HFSS based on the finite element method. A novel lowprofile equiangular spiral antenna(EASEBG antenna) is studied which inserted a small area of electromagnetic bandgap (EBG) structure into EASPEC antenna to maintain a low profile and did not expand the crosssection area optimized axial ratio. The result of simulation shows that the EASEBG antenna reduced the axial ratio within 4~8 GHz (especially reducing the axial ratio about 3 dB within 5~7 GHz) and did not reduce the gain. A viable way is presented to improve the performance of such lowprofile equiangular spiral antenna without change the dimensions.

Keywords： equiangular spiral antenna; electromagnetic bandgap (EBG); lowprofile; wideband

收稿日期：201106010引言

平面螺旋天线由于其结构的自相似性，能在很宽的频带内辐射圆极化波，因而获得了广泛的应用［1］。平面螺旋天线的辐射是双向的，但在实际应用中，往往要求天线具有单向辐射特性且低剖面。通常的做法是在螺旋天线的一侧加装反射腔，用非常浅的金属腔(0.07波长［2］)来作为平面等角螺旋天线的反射板，从而使双向辐射变为单向辐射，但这种改变使原平面螺旋天线不再在宽带范围内保持良好轴比。如果要满足良好轴比，通常是在反射腔内填充适当形状的微波吸收材料，但其最大的缺点是：由于微波吸收材料的存在，近50%的辐射能量将被吸收掉［2］，这使得天线的效率大大降低。 近年来电磁带隙结构的研究得到了重视，由于其高阻抗表面的频率选择性和零相位反射的特点，被用于等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线和卷曲天线中［35］。本文利用电磁带隙结构的特性，在加平板式低剖面等角螺旋天线中插入适当的小型电磁带隙结构，使其在保持低剖面和不扩大横切面积的情况下，降低轴比且不降低增益。仿真结果表明，加载电磁带隙结构的模型在工作频带4~8 GHz内降低了轴比(特别是在恶化严重频段5~7 GHz内降低了3 dB的轴比)，且没降低增益。

1平板式低剖面等角螺旋天线

本文设计的低剖面圆极化等角螺旋天线，其工作频段为4~8 GHz。因此最低分析频率为3 GHz(小于4 GHz)，最高频率为9 GHz(大于8 GHz)。图1显示了平面等角螺旋天线的螺旋臂。两条螺旋臂形成自我互补对称结构［6］。

r1=r0eαφ(1)

r1′=r0eα(φ-δ)(2)

r2=r0eα(φ－π)(3)

r2′=r0eα(φ-π-δ)(4)

式中：r0是螺旋臂起始点和原点的距离;α是螺旋线的增长率;δ是螺旋天线角宽度。为了使其有自补结构δ=π/2,金属板放在辐射单元后面可以将双面辐射改变成单面辐射［78］。基于这个简单的理念，首先，分析用金属板(PEC)作反射板的低剖面等角螺旋天线,其天线臂放在PEC反射板表面上，其高度为hPEC，如图2所示。等角螺旋结构参数:a=0.221，r0=2 mm，δ=π/2，φ为0~3.18π。PEC为半径20 mm(约大于螺旋臂)的圆形。通过HFSS仿真软件仿真了hPEC为5 mm，7 mm，9 mm(小于4 GHz波长的1/4)情况下，天线在正z方向上的轴比，如图3所示。

图1螺旋臂图2平板式低剖面等角螺旋天线

图3hPEC为5 mm，7 mm，9 mm的轴比图从图3可以看出当hPEC减小时,5~7 GHz的轴比恶化严重，且厚度越薄轴比越差。这是由于螺旋臂反向电流(从臂终端流向馈点的电流)产生了不需要的交差极化部分(左旋圆极化波)。请注意，从馈点流向螺旋臂终端的电流为正向电流，其产生所需要的右旋圆极化波。

基于上述仿真与分析，尝试在保持原天线低剖面和不扩大横切面积的情况下，加载小型电磁带隙结构以降低恶化严重频段的轴比，同时保持高增益。

2加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线的设计和仿真2.1光子晶体的简介

近几年光子晶体这种新型介质材料引起了人们的广泛关注，这种新型微波功能材料是一种介质在另一种介质中周期排列所组成的周期结构，能够产生光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)。被介质包围的由一维、二维或三维周期性单元组成的光子带隙材料可以阻止电磁波在某个方向上或所有方向上的传播，表明光子带隙结构有独特的频率选择特性。它的频率选择特性可通过控制周期性结构的参数来实现。人们第一次有可能以类似半导体集成电路控制电流传输的方式，来精确控制电磁波的传输。因此，光子带隙结构材料又被称为“电磁波半导体”。近年来，人们对PBG在微波工程中的应用以特别的关注，在微波与毫米波领域称之为电磁带隙(EBG)结构。EBG结构在微波与毫米波领域的应用越来越广，在微波电路中可以作为带阻滤波器，在天线中可以作反射板，减小天线轮廓，提高天线增益，改善辐射性能。

2.2加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线的设计

基于本文第1部分发现的问题，通过利用电磁带隙结构来改善轴比恶化比较严重的频段，这是利用了电磁带隙的高阻抗表面的频率选择性和零相位反射的特性。高阻抗表面EBG结构等效LC电路，谐振频率f0和带隙宽度BW为：f0=12πLC(5)

BW=Δff0=1ηLC(6)本文分析的频段为3~9 GHz，因此着重讨论天线厚度为7 mm=0.07λnhtest(λn是n GHz的自由空间波长)。请注意，其他厚度的低剖面等角螺旋天线的性能优化也可以用相同的设计方法。

加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线(EASEBG)的模型如图4所示。PEC到螺旋臂的高度为htest=7 mm,电磁带隙结构参数：S=2.2 mm，δ=0.4 mm，εγ=2.2，B=0.5 mm，金属通孔半径r=0.1 mm，共10×10周期结构，并在电磁带隙结构中心挖去4个带隙单元以方便用巴伦进行中心馈电。

图4加载电磁带隙结构的低剖面等角螺旋天线EASEBG天线和EASPEC天线厚度为htest=7 mm的轴比，增益比较图分别如图5，图6所示(实线为EASEBG天线，虚线为EASPEC天线)。

由图5可以看出EASEBG天线在工作频段4~8 GHz内优于EASPEC天线的轴比，特别是在恶化严重的频段5~7 GHz内降低了3 dB，同时从图6可以看出，加电磁带隙结构后增益没有降低(略有提高)。

图5轴比比较图图6增益比较图3结论

本文分析了由金属导体面做反射板的低剖面平面等角螺旋天线,发现这种天线的轴比性能很差。通过插入适当小型电磁带隙结构，在保持原天线低剖面和不扩大横切面积的情况下， 在4~8 GHz内优化了轴比， 特别是5~7 GHz，并且增益略有提高。此设计方法也为在不改变外形尺寸的情况下，优化低剖面等角螺旋天线的性能，提供了一种研究方向。

参考文献

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