第30卷 第3期2009年9月
制 导 与 引 信
GUIDANCE&FUZE
Vol.30No.3
Sep.2009
文章编号:167120576(2009)0320028204
一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线
李伟忠, 杨 刚
(中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海200090)
摘 要:采用光子晶体取代传统金属反射腔作为反射面,设计了一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线,运用AnsoftHFSS软件进行仿真计算,仿真结果与实验数据吻合,在有效的工
作带宽内,该类天线的性能得到了改善,并介绍了扩展该类天线工作带宽的两种方法。
关键词:螺旋天线;光子;晶体;周期结构;频率选择性中图分类号:TN823.31 文献标识码:A
ANewLowProfileArchimedeanSpiralAntenna
LIWei2zhong, YANGGang
(TheNavyofMilitaryRepresentativeOfficeinSASTofPLA,Shanghai200090,China) Abstract:AnewlowprofileArchimedeanspiralantennaisstudiedinwhichPBGstruc2turereplacesconventionalmetalliccavityasareflectortogetunidirectionalbeam.ThroughsimulationbyAnsoftHFSSandexperiments,thesimulationresultandexperimentdataareinconcordance.Theantennaperformanceisimprovedintheeffectiveoperationalfrequencyband.TwomethodsofincreasingthebandwidthofthecombinedlowprofilespiralantennaandPBGstructurearealsointroduced.
Keywords:spiralantenna;photon;crystal;periodicstructure;frequencyselection
德螺旋天线,由于反射腔的固定长度改变了螺旋
0 引言
阿基米德螺旋天线是一种超宽频带天线,具有天线尺寸小、相位一致性及稳定性好等优点。为了获得单向辐射,工程上可采用背腔式阿基米
收稿日期:2009-03-16
作者简介:李伟忠(1968-),男,工程师;杨 刚(1962-),男,工程师,均从事天线技术的研究。
天线的非频变特性,需要在反射腔内加吸收材料来减小谐振效应,但吸收材料的引入导致天线产品的增益降低,且在整个频段范围内,天线增益值起伏较大。为了克服上述问题,可以采用光子晶体作为基板取代反射腔,利用光子晶体的频率选择性和零反射相位的特点,设计一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线[1,2]。
1 光子晶体的简介
近几年,光子晶体引起了人们的广泛关注,这种新型微波功能材料采用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(PhotonicBandGap,以下简称PBG)结构[3]。这种光子带隙结构具有独特的频率选择特性,因此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。如果,将PBG结构用于集成电路和天线的设计,就可以有效减小交叉干扰、抑制表面波,抑制功率放大器、滤波器的高次谐波,提高天线的增益,改变天线的辐射特性和改善电路性能[4]。电导体天线反射面除半波损失、传播表面波等缺陷外,(切向)反射波与入射波相位还相差π。为了取得同相,必须使天线与反射面的距离保持λ/4。光子晶体取代金属板作为反射面,就克服了电导体天线反射面的缺陷,而且由于光子晶体频率选择性和零相位反射的特点,真正实现了螺旋天线的非频变特性,这是一种性能非常高的新型低剖面天线[5]。
典型的图钉结构高阻表面,如图1(a)所示。这种结构由一层方形的金属突起物在平面上周期排列形成,每个正方形的正中都有一个竖直的金属孔与底层的金属板相连通,在顶层与底层的连续层间是均匀连续的电介质。与图钉周期结构相对应的光子晶体基板周期单元示意图,如图1(b)所示。下面将采用这种光子晶体基板作为反射面,设计出一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线
。
(a)
图钉结构高阻表面示意图
(b)光子晶体基板周期单元示意图
图1 图钉结构高阻表面及周期单元示意图
2 光子晶体谐振频率的仿真
采用AnsoftHFSS仿真的模型如图2(a)所示,仿真结果如图2(b)所示
。
(a)
仿真模型
(b)仿真结果图2 光子晶体仿真模型与仿真结果
仿真得光子晶体带隙的中心频率约为5.8GHz。
3 低剖面阿基米德螺旋天线的设计
和仿真
螺旋天线外径C≈1.36λ0,放置在离光子晶
体板约0.1波长的位置,光子带隙平面螺旋天线
的仿真示意图如图3所示。加上螺旋天线后,组合的谐振频率约为5.6GHz,带宽约为1GHz。谐振频率稍稍降低,所以设计天线时要微调光子晶体单元的各参数,以达到所需要的性能
。图3 低剖面天线示意图
低剖面阿基米德螺旋天线增益方向图的仿真
结果如图4(a)所示,天线增益约为8.7dB,后瓣为-23dB。新型低剖面阿基米德螺旋天线仿真结果与测试结果的比较如图4(b)所示,测试结果与仿真结果基本吻合
。
(a)
增益方向图仿真结果
———测试 2222仿真
(b)仿真结果与测试结果的比较
图4 新型低剖面螺旋天线的仿真结果与测试结果
分析整理测试结果:在约1GHz的工作频带内(中心频率约20%的带宽),天线的驻波小于2,半功率波瓣宽度在70°左右,圆极化增益达7dB以上。与传统背腔式阿基米德螺旋天线的测试结果相比,在该频点天线增益提高了2dB,频带内天线增益明显提高,后瓣明显降低,天线的性能得到了改善。
4 实现超宽带的两种方法
光子晶体是周期介质结构,会呈现某些频段内的阻带特性。虽然使用光子晶体取代传统的介质板或反射板,天线的性能得到了改善,但是天线的工作带宽受光子晶体阻带限制。阿基米德螺旋天线是能够实现超宽带的,扩展低剖面螺旋天线工作带宽的关键在于光子晶体基板的宽带实现。4.1 利用可调谐光子晶体基板扩展工作带宽
一些工程应用中允许天线通过窄带天线在较宽的频带内连续可调实现宽频带覆盖。本文的天线结构可以通过改变介质层(使用铁氧体等)或改变光子晶体表面电容来调整光子晶体基板表面波带隙,从而实现超宽带性能。图5为可调谐光子晶体基板的物理模型。将变容二极管集成到光子晶体表面单元之间,变容二极管的可变电容与FSS层的内在电容并联,通过调整二极管的电容实现可调谐的光子晶体基板
。
图5 可调谐光子晶体基板的物理模型
为了减少单位面积变容二极管的数量,减少
费用、重量和复杂程度,可以每隔一行一列或可以跳跃两行甚至多行来集成二极管,只要二极管间的间距小于自由空间波长的四分之一[6]。
随着变容二极管偏压的改变,光子晶体的阻带也随之改变,在阻带范围内天线的增益、驻波等性能稳定。通过调谐能使基于光子晶体的平面螺旋天线达到3∶1的工作带宽。
4.2 利用定制的非均匀光子晶体扩展工作带宽
为了实现天线的超宽带性能需要设计能够覆盖更宽频段的基板。但目前为止,单一的光子晶体结构还不能覆盖较宽的工作带宽
[7]
。
由于阿基米德螺旋天线的有效工作区在螺旋壁周长为一个波长附近的区域,是按一定规律变化的,所以可以在对应的有效工作区设计相应工作频段的光子晶体周期结构,使光子晶体的阻带与对应有效工作区的工作频率相一致。这种宽带实现的关键在于,在天线系统中用作基板的多重定制非均匀光子晶体要准确设计。每个定制的光子晶体设计在一个特定的工作频段。分别加工后,多重光子晶体组合在一起形成一个阻带随位置按一定规律变化的光子晶体基板。
图6为制作成同心圆环形式的光子晶体基板示意图。图中,光子晶体基板由三个工作在不同工作频段的光子晶体a、b、c组合而成。设计好的光子晶体系统能在较宽的工作频带内工作,比如45MHz～20GHz可以设计13个定制的光子晶体组成多重的光子晶体系统
。
图6 制作成同心圆环形式的光子晶体基板示意图
5 结论
光子晶体作为一种新型的微波材料,为小型高效微波系统的设计提供全新的思路。将光子晶体应用于平面螺旋天线,能得到高增益、低后瓣、
小型化的宽频带天线。但新型低剖面螺旋天线的工作带宽受光子晶体基板阻带带宽的限制,不能达到螺旋天线的超宽带性能,本文提出了实现超宽带的两种方法,研究工作正在进行。参考文献
[1] HNakano,MIkeda,KHitosugi,etc.ASpiralAn2
tennaBackedbyanElectromagneticBand2gapMate2rial[J].IEEEAP2SInt.Symp.,2003,4(6):4822485.
[2] WarrenL.Stutzman.AntennaTheoryandDesign
[M].NewYork:JOHNWILEY&SONS,INC.1998.
[3] SergioClavijo,RodolfoE.Díaz,WilliamE.McK2
inzie.DesignMethodologyforSievenpiperHigh2ImpedanceSurfaces:AnArtificialMagneticCon2ductorforPositiveGainElectricallySmallAntennas[J].IEEEAP,2003,51(10):267822689.
[4] FanYang,YahyaRahmat2Samii.ReflectionPhase
CharacterizationsoftheEBGGroundPlaneforLowProfileWireAntennaApplications[J].IEEEAP,2003,51(10):269122703.
[5] YingZhang,JürgenvonHagen,MarwanYounis,
etc.PlanarArtificialMagneticConductorsandPatchAntennas[J].IEEEAP,2003,51(10):270422712.[6] VictorC.Sanchez.BroadbandAntennasoverElec2
tronicallyReconfigurableArtificialMagneticCon2ductorSurfaces[J].AntennaApplicationsSymposi2um,Monticello,Illinois,2001,(9):19221.
[7] EfficientBroadbandAntennaSystemUsingPhoton2
icBandgapCrystals:USPatent[P].1996207230.
第30卷 第3期2009年9月
制 导 与 引 信
GUIDANCE&FUZE
Vol.30No.3
Sep.2009
文章编号:167120576(2009)0320028204
一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线
李伟忠, 杨 刚
(中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海200090)
摘 要:采用光子晶体取代传统金属反射腔作为反射面,设计了一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线,运用AnsoftHFSS软件进行仿真计算,仿真结果与实验数据吻合,在有效的工
作带宽内,该类天线的性能得到了改善,并介绍了扩展该类天线工作带宽的两种方法。
关键词:螺旋天线;光子;晶体;周期结构;频率选择性中图分类号:TN823.31 文献标识码:A
ANewLowProfileArchimedeanSpiralAntenna
LIWei2zhong, YANGGang
(TheNavyofMilitaryRepresentativeOfficeinSASTofPLA,Shanghai200090,China) Abstract:AnewlowprofileArchimedeanspiralantennaisstudiedinwhichPBGstruc2turereplacesconventionalmetalliccavityasareflectortogetunidirectionalbeam.ThroughsimulationbyAnsoftHFSSandexperiments,thesimulationresultandexperimentdataareinconcordance.Theantennaperformanceisimprovedintheeffectiveoperationalfrequencyband.TwomethodsofincreasingthebandwidthofthecombinedlowprofilespiralantennaandPBGstructurearealsointroduced.
Keywords:spiralantenna;photon;crystal;periodicstructure;frequencyselection
德螺旋天线,由于反射腔的固定长度改变了螺旋
0 引言
阿基米德螺旋天线是一种超宽频带天线,具有天线尺寸小、相位一致性及稳定性好等优点。为了获得单向辐射,工程上可采用背腔式阿基米
收稿日期:2009-03-16
作者简介:李伟忠(1968-),男,工程师;杨 刚(1962-),男,工程师,均从事天线技术的研究。
天线的非频变特性,需要在反射腔内加吸收材料来减小谐振效应,但吸收材料的引入导致天线产品的增益降低,且在整个频段范围内,天线增益值起伏较大。为了克服上述问题,可以采用光子晶体作为基板取代反射腔,利用光子晶体的频率选择性和零反射相位的特点,设计一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线[1,2]。
1 光子晶体的简介
近几年,光子晶体引起了人们的广泛关注,这种新型微波功能材料采用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(PhotonicBandGap,以下简称PBG)结构[3]。这种光子带隙结构具有独特的频率选择特性,因此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。如果,将PBG结构用于集成电路和天线的设计,就可以有效减小交叉干扰、抑制表面波,抑制功率放大器、滤波器的高次谐波,提高天线的增益,改变天线的辐射特性和改善电路性能[4]。电导体天线反射面除半波损失、传播表面波等缺陷外,(切向)反射波与入射波相位还相差π。为了取得同相,必须使天线与反射面的距离保持λ/4。光子晶体取代金属板作为反射面,就克服了电导体天线反射面的缺陷,而且由于光子晶体频率选择性和零相位反射的特点,真正实现了螺旋天线的非频变特性,这是一种性能非常高的新型低剖面天线[5]。
典型的图钉结构高阻表面,如图1(a)所示。这种结构由一层方形的金属突起物在平面上周期排列形成,每个正方形的正中都有一个竖直的金属孔与底层的金属板相连通,在顶层与底层的连续层间是均匀连续的电介质。与图钉周期结构相对应的光子晶体基板周期单元示意图,如图1(b)所示。下面将采用这种光子晶体基板作为反射面,设计出一种新型的低剖面阿基米德螺旋天线
。
(a)
图钉结构高阻表面示意图
(b)光子晶体基板周期单元示意图
图1 图钉结构高阻表面及周期单元示意图
2 光子晶体谐振频率的仿真
采用AnsoftHFSS仿真的模型如图2(a)所示,仿真结果如图2(b)所示
。
(a)
仿真模型
(b)仿真结果图2 光子晶体仿真模型与仿真结果
仿真得光子晶体带隙的中心频率约为5.8GHz。
3 低剖面阿基米德螺旋天线的设计
和仿真
螺旋天线外径C≈1.36λ0,放置在离光子晶
体板约0.1波长的位置,光子带隙平面螺旋天线
的仿真示意图如图3所示。加上螺旋天线后,组合的谐振频率约为5.6GHz,带宽约为1GHz。谐振频率稍稍降低,所以设计天线时要微调光子晶体单元的各参数,以达到所需要的性能
。图3 低剖面天线示意图
低剖面阿基米德螺旋天线增益方向图的仿真
结果如图4(a)所示,天线增益约为8.7dB,后瓣为-23dB。新型低剖面阿基米德螺旋天线仿真结果与测试结果的比较如图4(b)所示,测试结果与仿真结果基本吻合
。
(a)
增益方向图仿真结果
———测试 2222仿真
(b)仿真结果与测试结果的比较
图4 新型低剖面螺旋天线的仿真结果与测试结果
分析整理测试结果:在约1GHz的工作频带内(中心频率约20%的带宽),天线的驻波小于2,半功率波瓣宽度在70°左右,圆极化增益达7dB以上。与传统背腔式阿基米德螺旋天线的测试结果相比,在该频点天线增益提高了2dB,频带内天线增益明显提高,后瓣明显降低,天线的性能得到了改善。
4 实现超宽带的两种方法
光子晶体是周期介质结构,会呈现某些频段内的阻带特性。虽然使用光子晶体取代传统的介质板或反射板,天线的性能得到了改善,但是天线的工作带宽受光子晶体阻带限制。阿基米德螺旋天线是能够实现超宽带的,扩展低剖面螺旋天线工作带宽的关键在于光子晶体基板的宽带实现。4.1 利用可调谐光子晶体基板扩展工作带宽
一些工程应用中允许天线通过窄带天线在较宽的频带内连续可调实现宽频带覆盖。本文的天线结构可以通过改变介质层(使用铁氧体等)或改变光子晶体表面电容来调整光子晶体基板表面波带隙,从而实现超宽带性能。图5为可调谐光子晶体基板的物理模型。将变容二极管集成到光子晶体表面单元之间,变容二极管的可变电容与FSS层的内在电容并联,通过调整二极管的电容实现可调谐的光子晶体基板
。
图5 可调谐光子晶体基板的物理模型
为了减少单位面积变容二极管的数量,减少
费用、重量和复杂程度,可以每隔一行一列或可以跳跃两行甚至多行来集成二极管,只要二极管间的间距小于自由空间波长的四分之一[6]。
随着变容二极管偏压的改变,光子晶体的阻带也随之改变,在阻带范围内天线的增益、驻波等性能稳定。通过调谐能使基于光子晶体的平面螺旋天线达到3∶1的工作带宽。
4.2 利用定制的非均匀光子晶体扩展工作带宽
为了实现天线的超宽带性能需要设计能够覆盖更宽频段的基板。但目前为止,单一的光子晶体结构还不能覆盖较宽的工作带宽
[7]
。
由于阿基米德螺旋天线的有效工作区在螺旋壁周长为一个波长附近的区域,是按一定规律变化的,所以可以在对应的有效工作区设计相应工作频段的光子晶体周期结构,使光子晶体的阻带与对应有效工作区的工作频率相一致。这种宽带实现的关键在于,在天线系统中用作基板的多重定制非均匀光子晶体要准确设计。每个定制的光子晶体设计在一个特定的工作频段。分别加工后,多重光子晶体组合在一起形成一个阻带随位置按一定规律变化的光子晶体基板。
图6为制作成同心圆环形式的光子晶体基板示意图。图中,光子晶体基板由三个工作在不同工作频段的光子晶体a、b、c组合而成。设计好的光子晶体系统能在较宽的工作频带内工作,比如45MHz～20GHz可以设计13个定制的光子晶体组成多重的光子晶体系统
。
图6 制作成同心圆环形式的光子晶体基板示意图
5 结论
光子晶体作为一种新型的微波材料,为小型高效微波系统的设计提供全新的思路。将光子晶体应用于平面螺旋天线,能得到高增益、低后瓣、
小型化的宽频带天线。但新型低剖面螺旋天线的工作带宽受光子晶体基板阻带带宽的限制,不能达到螺旋天线的超宽带性能,本文提出了实现超宽带的两种方法,研究工作正在进行。参考文献
[1] HNakano,MIkeda,KHitosugi,etc.ASpiralAn2
tennaBackedbyanElectromagneticBand2gapMate2rial[J].IEEEAP2SInt.Symp.,2003,4(6):4822485.
[2] WarrenL.Stutzman.AntennaTheoryandDesign
[M].NewYork:JOHNWILEY&SONS,INC.1998.
[3] SergioClavijo,RodolfoE.Díaz,WilliamE.McK2
inzie.DesignMethodologyforSievenpiperHigh2ImpedanceSurfaces:AnArtificialMagneticCon2ductorforPositiveGainElectricallySmallAntennas[J].IEEEAP,2003,51(10):267822689.
[4] FanYang,YahyaRahmat2Samii.ReflectionPhase
CharacterizationsoftheEBGGroundPlaneforLowProfileWireAntennaApplications[J].IEEEAP,2003,51(10):269122703.
[5] YingZhang,JürgenvonHagen,MarwanYounis,
etc.PlanarArtificialMagneticConductorsandPatchAntennas[J].IEEEAP,2003,51(10):270422712.[6] VictorC.Sanchez.BroadbandAntennasoverElec2
tronicallyReconfigurableArtificialMagneticCon2ductorSurfaces[J].AntennaApplicationsSymposi2um,Monticello,Illinois,2001,(9):19221.
[7] EfficientBroadbandAntennaSystemUsingPhoton2
icBandgapCrystals:USPatent[P].1996207230.