基于高阻抗表面的螺旋天线设计

【前言】基于高阻抗表面的螺旋天线设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 传统背腔式螺旋天线设计 2 加载高阻抗表面的螺旋天线设计 2.1 高阻抗表面简介 高阻抗表面可分为有金属过孔的蘑菇型和无过孔的共面高阻抗表面。当平面波入射到高阻抗表面时，反射相位随着频率的增加，由180°～-180°连续变化，在谐振频率处相位为0°。通常将反射相位在...

摘 要： 利用高阻抗表面的同相反射特性，将其加载到阿基米德螺旋天线背腔的边缘区域，从而改善了天线增益，实现低剖面设计。仿真结果显示，与传统背腔式螺旋天线相比，增益稳定性显著提高。在3～12 GHz的工作频段内，驻波比小于2，阻抗匹配良好，辐射方向图保持稳定。在约7.8 GHz的频带宽度内轴比小于3 dB，实现了较好的圆极化性能。

关键词：高阻抗表面； 阿基米德螺旋天线； 宽带； 低剖面； 圆极化

中图分类号： TN823+.31?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0077?03

0 引 言

随着通信技术的发展和宽带无线电设备的出现，超宽带天线技术在遥测、宇航和卫星通信等领域得到了广泛的应用。平面螺旋天线，由于其结构满足非频变原理，因而它们在宽频带范围内具有良好的阻抗特性，增益特性以及圆极化等特点。而且平面螺旋天线为双向辐射，为了实现单向辐射，通常在螺旋天线的一侧加装深度约为[λ4]的反射背腔，但这种方法会破坏原天线良好的圆极化性能，改变非频变特性，增大天线轮廓。如果在反射腔内填充适当的吸波材料使其单向辐射，这样会导致天线辐射效率的降低。高阻抗表面（High Impedance Surface，HIS）由于在特定频率范围具有零相位反射的特点，因而可以将其代替传统的导体反射板来设计低剖面天线[1?4]。但由于高阻抗表面相对窄的同相反射带宽，限制了其在宽带系统中的应用。为改善增益、降低剖面，本文在螺旋天线背腔的边缘区域加载了高阻抗表面（HIS），仿真结果表明，天线在3～12 GHz的工作带宽内驻波比小于2，增益稳定性明显提升，主辐射方向轴比小于3 dB的频带宽度达到7.8 GHz。

1 传统背腔式螺旋天线设计

2 加载高阻抗表面的螺旋天线设计

2.1 高阻抗表面简介

高阻抗表面可分为有金属过孔的蘑菇型和无过孔的共面高阻抗表面。当平面波入射到高阻抗表面时，反射相位随着频率的增加，由180°～-180°连续变化，在谐振频率处相位为0°。通常将反射相位在90°～-90°相应的频率范围定义为高阻抗表面的同相带宽，即在此频带内可等效为人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor， AMC），因而可被用于设计天线反射板。此外，高阻抗表面对于沿其表面传播的电磁波也呈现带隙特性，应用于印刷天线中能有效地抑制表面波在介质基片中的传播，从而对天线后向辐射的减小，天线阵单元间互耦的降低，以及效率和增益的提高有着明显改善[7?10]。

2.2 高阻抗表面单元设计

考虑到加工和制作的方便，本文采用无过孔的共面高阻抗表面，即在背衬接地板的介质表面上周期性印刷频率选择表面的金属图案，结构如图3所示，它可以在一定频率范围内等效为人工磁导体（AMC）。高阻抗表面蚀刻在厚度[h=]3 mm，相对介电常数为4.4的介质基片上，周期单元贴片边长[W=]8 mm，单元间隙[g=]1 mm，由电磁仿真软件Ansoft HFSS得反射相位曲线如图4所示。

3 结 论

为了实现高增益、低剖面的目的，本文利用高阻抗表面同相反射特性，将其加载到阿基米德螺旋天线背腔的边缘区域，天线口径为84 mm，加背腔后的整体高度仅有8 mm。仿真分析表明：改进后的螺旋天线增益较为平坦，平均增益为7 dB，阻抗匹配良好，在约7.8 GHz的频带宽度内轴比小于3 dB，且辐射方向图稳定，能有效抑制后向辐射，实现了较好的圆极化性能。

参考文献

[1] BELL J M， ISKANDER M F. A low?profile Archimedean spiral antenna using an EBG ground plane [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 223?226.

[2] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2691?2703.

[3] 徐琰，张谟杰.一种新颖的光子带隙平面螺旋天线[J].电波科学学报，2005，20（6）：699?702.

[4] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. A low?profile circularly polarized curl antenna over an electromagnetic bandgap （EBG） surface [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2001， 31（4）： 264?267.

[5] 林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[6] 康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社，1995.

[7] SIEVENPIPER D， ZHANG Li?jun， BROAS R F J， et al. High?impedance electromagnetics surfaces with a forbidden frequency band [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1999， 47（11）： 2059?2074.

[8] YANG F， RAHMAT?SAMII Y. Microstrip antennas integrated with electromagnetic bandgap （EBG） structure： a low mutual coupling design for array applications [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2003， 51（10）： 2936?2946.

[9] ELSHEAKH D N， ELSADEK H A， ABDALLAH E A， et al. Ultrawide bandwidth umbrella?shaped microstrip monopole antenna using spiral artificial magnetic conductor （SAMC） [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2009， 8： 1255?1258.

[10] PRAKASH P， ABEGAONKAR M P， BASU A， et al. Gain enhancement of a CPW?fed monopole antenna using polarization?insensitive AMC structure [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2013， 12： 1315?1318.