第8卷 第18期 Vol.8 No.18

2015 年 9 月 September 2015

一种轴比性能提升且臂长缩短的 平面螺旋天线

黄惠芬，吴俊锋*

（华南理工大学电子与信息学院，广州 510641）

摘要：提出了一种新型的平面螺旋天线。与传统阿基米德螺旋天线相比，新天线轴比性能得到提升，同时

臂长更短。改进的天线结合了幂螺旋天线的低频特性和阿基米德螺旋天线的高频特性。天线外围部分与幂

螺旋天线结构相似，目的在于改进低频特性，天线中心部分与阿基米德螺旋天线相似，目的在于保持高频

特性。研究结果显示，改进的天线和传统阿基米德天线相比，低频端轴比有了明显的改进，幂螺旋天线高

频端轴比退化的问题也得到了解决。新天线臂长比传统阿基米德天线缩短 46.2%，比幂螺旋天线缩短 63.5%.

关键词：无线电波传播；平面螺旋天线; 轴比; 臂长

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2015)18-1893-06

A planar spiral antenna with improved axial ratio and shorted arm length

HUANG Huifen, WU Junfeng

(School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract: A new spiral antenna is proposed in this paper. The developed antenna has improved axial ratio

and shorted arm length, compared with the traditional Archimedes spiral antenna. The developed spiral

antenna combines the low frequency characteristic of power spiral antenna and high frequency

characteristic of Archimedean spiral antenna. The growth rate of radial distance at large winding angle is

closed to power spiral for improved axial rate in low frequencies, and the growth rate at small winding

angle is closed to Archimedean spiral for good axial rate in high frequencies. The results reveal that the

developed spiral antenna has noticeable improved axial rate at low frequencies compared with

Archimedean spiral antenna, and the problem of axial rate degradation of power spiral antenna is also

solved. The arm length is shorted by 46.2% compared to conventional Archimedean spiral antenna, and

63.5% compared to power spiral antenna.

Key words: radio wave propagation; planar spiral antenna; axial ratio; arm length

0 引言

由于具有良好的圆极化特性，稳定的增益和阻抗，阿基米德螺旋天线经常被用于超宽带系统中，其

工作频段主要由内径和外径的大小决定[1]。很多工作试图在不增加天线尺寸的基础上提高辐射特性。前

人的工作中，将电磁吸收材料放置在天线底部来获得较好的辐射特性[2]，用电磁带隙结构反射的方法也

被应用于提高天线性能[3]，在螺旋天线的外围放置金属环也可以提高辐射性能[4]。另外，改变天线形状，

基金项目：国家自然科学基金（61071056）；广东省教育厅特色创新项目（2014KTSCX017）

作者简介：黄惠芬（1969—），女，教授，主要研究方向：集成电路与电磁兼容. E-mail: huanghf@scut.edu.cn

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比如曲折臂也能令天线性能得到改善[5~6]。

幂螺旋天线[7]是基于提高信号保真度和脉冲压缩性能设计出来的。与传统阿基米德天线相比，幂螺

旋天线在低频端的轴比有明显的提升，但是在高频部分轴比发生退化。为了获得整个频段内较好的轴比，

阿基米德天线和幂螺旋天线被合并在一起[8]，但是这种方法导致天线不再是自补结构，而且臂长也变得

更长。

在很多场合，较短的臂长更有利。最近的研究中，在等角螺旋天线臂下方馈电的方法提供了一种新

型的螺旋天线馈电解决方案[8]，但是这种方法不可能应用于阿基米德天线，因为阿基米德天线臂又细又

长。基于这种情况，提高天线辐射特性，同时尽可能缩短臂长是很有必要的。研究提出了一种新的螺旋

天线，这种天线与同尺寸的阿基米德天线相比，低频端轴比有明显提高，与同尺寸的幂螺旋天线相比，

高频端轴比退化的问题得到了解决。臂长比阿基米德天线缩短 46.2%，比幂螺旋天线缩短 63.5%. 研究对

传统阿基米德螺旋天线、幂螺旋天线和新天线的辐射特性和臂长均做了比较。

1 天线设计

图 1 给出了研究中讨论的天线的结构。这些天线由以下的方程确定：

0 1( )r r A ， （1）

20 2( ) ( 1)Br r A ， （2）

30 3 3

3

arctan( )( )

Br r A D

C

， （3）

其中，r 为天线臂上的点到中心点的距离；φ 为旋转角度；天线的内径和外径由 r0 和 r1 确定；起始

和终止旋转角度由 φ0 和 φ1 确定；A1，A2，A3，B2，B3，C3，D3 为用于确定天线尺寸的常数。这些

公式确定了天线臂的第一条边，第二条边由第一条边旋转 90°得到。天线的另外一臂由第一条臂旋转

180°得到。

a b

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c d

图 1 文章中讨论的螺旋天线

Fig. 1 Antennas discussed in this paper

a—阿基米德螺旋天线；b—幂螺旋天线；c—新型螺旋天线；d—臂长缩短的新型螺旋天线

a-Archimedean spiral; b-Power spiral; c-New spiral; d-Shorted new spiral

1.1 阿基米德螺旋天线

如图 1a 所示，在传统的阿基米德螺旋天

线中，螺旋是均匀分布的。如图 2 所示，天

线臂上的点到中心点的距离随旋转角的变

化率是一个常数。曲线边界由式（1）确定。

1.2 幂螺旋天线

图 1b为幂螺旋天线的结构，在幂天线中，

螺旋的分布是不均匀的。天线臂到中心点的

距离随旋转角的变化如图 2 所示，增长率随

着旋转角度的增加越来越小，这就造成了天

线臂越绕越紧的效果。天线的边界由式（2）

确定。

1.3 新型螺旋天线

幂螺旋天线的轴比在低频端有明显提

高，但在高频部分却发生退化。将幂螺旋天

线和阿基米德天线合并可以获得在整个频

段内较好的轴比[8]，但是臂长变的更长。而且幂米螺旋天线的臂长本来就比阿基米德天线长很多。在这

种情况下设计了一种新型天线，外围和幂天线类似，但是中心部分做出了调整。

天线臂到中心点的距离随旋转角的变化如图 2 所示。新型螺旋天线如图 1c 所示，天线在中心和外围

绕得较紧，两者之间较松。天线边界由式（3）确定。

为减少天线的臂长，这里减少了天线的旋转角度。研究发现，只要选择合适的参数，外围绕的较紧

而引起的低频端轴比提升仍然存在。旋转角度从 12π减少到 6.25π. 缩短的新天线如图 1d 所示，图 1 中的

天线（c）和天线（d）边界均由式（3）确定，只是旋转角度不同，天线（c）旋转角度为 12π，天线（d）

图 2 天线臂上的点到中心点的距离（r）与旋转角度的（φ）关系

Fig. 2 Relationship between radial distance (r) and winding angle (φ)

in the antenna arm

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旋转角度为 6.25π，6.25π是在保持良好轴比的情况下，可获得的最短臂长，其余参数相同。

表 1 列出了 3 种天线的设计参数。臂长可以近似看作天线臂的第一条边的长度。根据天线的参数和

设计公式，天线的臂长可以通过以下公式计算得到：

1

0

( )d .L r

（4）

表 1 天线的设计参数

Tab. 1 Parameters of the antennas

A1 A2 B2 A3 B3 C3 D3

0.475 485.5 0.3 8.27 3 3 0.906

表 2 给出了 3 种天线臂长的计算结果。新型螺旋天线的臂长是 201 mm，比传统阿基米德螺旋天线短

46.2%，比幂螺旋天线短 63.5%.

表 2 3 种天线的臂长（mm）

Tab. 2 Arm length of the antennas (mm)

阿基米德螺旋天线 幂螺旋天线 臂长缩短的新型螺旋天线

375 551 201

2 仿真与测试

仿真使用 HFSS 电磁计算软件。所有天线均制作在 0.8 mm 厚的 F4B 板材上，介电常数为 2.2. 所有

的天线外围均放置一个金属圆环[7]。

最初的仿真计算中，没有使用巴伦，天线的输入端口设置为 160 Ω，用来和天线的输入阻抗匹配。

图 3 为 3 种天线轴比的仿真结果。在低频端，新天线和幂螺旋天线的轴比均比阿基米德天线有明显

提高。这是因为它们在外围有类似的结构，外围缠绕较紧，天线臂间的耦合更强。在高频端，幂螺旋天

线的轴比高出 3 dB，但是新天线的轴比仍然很好。这是因为新天线在中心部分比幂螺旋天线绕的紧，保

持了阿基米德天线高频端的良好特性。3 条天线的增益如图 4 所示，增益呈随频率的增大而增大的趋势

且最小增益达到 3.6 dB，可以很好地达到应用要求。

图 3 3 种天线的正方向轴比仿真结果 图 4 3 种天线的仿真增益

Fig. 3 Simulated axial rate for the three antennas at front side Fig. 4 Simulated gain for the three antennas

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测试时，采用一个指数渐变为微带传输线巴伦，用于将天线的输入阻抗匹配到 50 Ω. 图 5 为天线和

巴伦的结构。

a b

图 5 新型螺旋天线实物图

Fig. 5 Fabricated prototype of antenna

a—测试天线和巴伦；b—连接后的天线

a-Balun and the tested antenna; b-Fabricated antenna

新天线的 S11 用 Advantest R3770 网络分析仪测试。图 6 为仿真和测试的新天线的 S11. 由图 6 可以

看出，在整个频段内获得了较好的反射系数，并且仿真与测试有较好的相似度。图 7 为仿真和测试的轴

比。图 8 为仿真和测试的归一化方向图。

图 6 仿真和测试的 S11 图 7 仿真和测试的正方向轴比

Fig. 6 Measured and simulated S11 Fig. 7 Measured and simulated axial rate at front side

a—3 GHz

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b—6 GHz c—9 GHz

图 8 仿真和测试的方向图

Fig. 8 Measured and simulated radiation pattern

3 结论

提出了一种新的螺旋天线，新天线在外围部分和幂螺旋天线相似，但内部环绕比较紧凑。改进的天

线和传统阿基米德天线相比，低频端轴比有了明显改进，幂螺旋天线高频端轴比退化的问题得到了解决，

同时臂长大幅缩短。

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