Design and optimization of a cavity-backed spiral antenna for use in 6-12 GHz band

The design and optimization of a self-complementary two-arm Archimedean spiral antenna backed by an absorptive cavity were presented. Parametric studies on the proposed antenna structure were carried out by using CST MWS. Simulation results show that the proper choice of spiral turns and cavity depth can miniaturize the dimensions of the cavity-backed spiral antenna presented here. According to simulation results, prototype antennas operating in the 6 12 GHz band are fabricated and the dimension of the proposed cavity-backed spiral antenna is 22 mm (diameter)×15 mm (height). The performance of the proposed antenna was measured and compared with the simulation results. It is shown that the experimental results are consistent with the theoretical predictions and the suggested antenna is good enough to adapt for various wideband applications.

RADIATION CHARACTERISTICS OF AIRBORNE SPIRAL ANTENNAS

The radiation fields of the Archimedean spiral antenna are derived by approximating the spiral with a series of semicircles. The computational formulae for calculating the radiation fields of the airborne spiral antennas are developed by using geometrical theory of diffraction (GTD). The calculated results are in good agreement with the experimental ones.

Modal Resistance of Spiral Antenna

This paper proposes a quasi-static conformal mapping analysis to analytically evaluate the input resistance of Archimedean spiral antenna at its radiation region. The deviation from the original constructs of band theory for two-wire spiral antennas leads to the concept of common slot-line mode radiation. The per-unit-length capacitance and the characteristic impedance of the quasi-TEM fundamental propagating mode in periodic coplanar waveguide (PCPW) structure are obtained in terms of spiral parameters including substrate properties. This formula enables little computational effort on the computation of input resistance at the radiation mode of balanced-excited two-arm Archimedean spiral antennas. The numerical simulation demonstrates the accuracy of derived formulas both in free space and when a dielectric layer is presented.

Simulation of Dual-Band MWCNT Ink-Based Spiral Antenna: A Comparative Study

In this paper, we compare a dual-band, square spiral microstrip patch antenna constructed from Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) ink for wearable application simulated by Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS) by our work simulated by Advanced Design System (ADS) electromagnetic simulator using the same material characterization. The reflection coefficient is –12 dB at 1.2276 GHz for MWCNT and –13 dB at 1.25 GHz for the copper simulated by CST MWS and reflection coefficient is –12.235 dB at 1.234 GHz for MWCNT and –18.36 dB at 1.243 GHz for the copper simulated by ADS and the reflection coefficient is –27dB at 2.47 GHz for MWCNT and –13 dB at 2.53 GHz for the copper simulated by CST MWS and the reflection coefficient is –26.08 dB at 2.48 GHz for MWCNT and –17.031 dB at 2.47 GHz for the copper simulated by ADS. We show the meandering of the surface current on the radiating in spiral patch. The antenna gain is found to be –12.5 dBi at 1.22 GHz for MWCNT and is found –12.05 dBi at 1.25 GHz at CST MWS and the antenna gain is found to be –11.85 dBi at 1.235 GHz for MWCNT and is found –12.25 dBi at 1.243 GHz at ADS and the antenna gain is found to be –4.25 dBi at 2.47 GHz for MWCNT and is found –4.01 dBi at 2.53 GHz at CST MWS and the antenna gain is found to be –4.23 dBi at 2.47 GHz for MWCNT and is found –4.88 dBi at 2.45 GHz at ADS. We show a close agreement in the results obtained by the two simulation software's CST MWS and ADS. The results are given for both MWCNT and Copper characterizations.

Radiation Characteristics of a Novel µNegative Metamaterial Spiral Resonator Antenna at the 2.4 GHz

A μ negative metamaterial using spiral resonator (SR) with an electromagnetically coupled (EMC) feeding system is proposed as a novel antenna structure. The proposed antenna is designed and fabricated on a FR4 dielectric substrate with a thickness of 1.6 mm and relative permittivity of 4.0 to achieve its radiation characteristic. The antenna is operated at frequency 2.4 GHz. To improve the antenna gain, a matching circuit is inserted into the feed line. The &micro;negative metamaterial is achieved by using a spiral resonator with spiral numbers N = 3, 5, 7, and 10. It is found that the negative imaginary part tends to shift leftward as the value of N increases. The simulation result of the proposed antenna structure with spiral number N = 3, strip width w = 3.1 mm, and gap width s = 0.5 mm provides the best performance with S11 = -15 dB, VSWR < 2 bandwidth of 30 MHz and gain of –0.5 dB at frequency of 2.43 GHz. The proposed antenna with matching circuit provides the antenna gain of 2.21 dB, which is better than that without the matching circuit. The dimensions of the proposed antenna are reduced by 53% compared with those of the conventional patch. Both the simulation and measurement results of the radiation characteristics of the proposed antenna show good agreement.

一种轴线倾斜的圆锥对数螺旋天线

在圆锥对数螺旋天线构建阵列时,当有效辐射区间距超过一个波长或单元辐射方向不一致时,会出现阵列天线性能下降的情况。本文提出一种轴线倾斜的圆锥对数螺旋天线,将圆锥对数螺旋天线结构连续地向一侧平移,能够在实现轴线倾斜的同时,辐射结构依旧面向z轴方向。该天线的辐射保持沿z轴方向,具有“轴线倾斜,方向图少倾斜”的特点,可以解决圆锥对数螺旋天线阵列性能下降的问题。针对倾斜圆锥对数螺旋天线的复杂结构,给出了一种倾斜螺旋线展开方法,使天线可以用柔性印制电路板工艺加工。本文设计并加工了轴线倾斜20°的倾斜圆锥对数螺旋天线,实测方向图最大偏移11.8°,验证了该天线的有效性。

基于方形螺旋谐振器的紧凑型RFID标签天线

设计了一种小型化超高频(UHF,ultra-high frequency)射频识别(RFID,radio frequency identification)标签天线。该天线由内外两个方形螺旋谐振器短接构成,通过改变外圈螺旋谐振器的边长和内外圈螺旋谐振器的间距,可以有效调节标签天线的谐振频率。仿真结果表明,标签天线阻抗匹配良好,频带范围覆盖整个超高频频段(840~960 MHz),总尺寸为7.60 mm×7.60 mm×0.05 mm,比传统螺旋谐振器(SR,spiral resonator)天线小96%。测试结果表明,在4 W有效全向辐射功率条件下,标签天线在910 MHz处读取距离达到最大。所提小型化超高频射频识别标签天线具有尺寸小、频带宽、成本低和易于批量制作的特点,适用于对尺寸要求较小的应用环境。

使用石墨烯的超宽带轨道角动量螺旋天线设计

轨道角动量涡旋波束各个模态之间相互正交,可以很好地解决频谱资源紧张的问题。针对目前轨道角动量天线普遍存在带宽较窄的问题,设计了一种太赫兹频段的超宽带轨道角动量四臂螺旋天线。研究了馈电端口之间连续相位差与生成模态之间的关系,使用了一种石墨烯双环结构并通过调整优化天线的的结构尺寸来提高天线的性能。实验结果表明,通过简单调整馈电相位差,就能够产生模态数为0、1、2和3的涡旋波,并且不同模态下天线的增益均在7.5dBi以上。同时所设计的天线绝对带宽达到了8.85THz,在中心频率6THz处其相对带宽可以达到147%,S11为-50dB,与传统天线相比改善较大,为太赫兹频段的模态复用提供了一定的现实意义。

交叉耦合馈电的小型化八臂缝隙螺旋天线

研究了一种应用于卫星导航终端的小型化交叉耦合馈电八臂缝隙螺旋天线。八条缝隙螺旋臂作为天线的辐射单元,蚀刻在FR4介质基板构成的方形柱状结构的外表面。馈电网络为上、下相互正交四分之三圆环的交叉偶极子微带线结构,延伸至了外表面且实现了交叉耦合馈电。天线尺寸为0.082λ0×0.082λ0×0.130λ0(λ0为中心频率1.561 GHz对应的自由空间波长),实测结果显示,|S11|≤-10 dB的阻抗带宽为1.554 GHz~1.591 GHz,3 dB轴比带宽为1.535 GHz~1.594 GHz。在北斗卫星导航系统B1频段中心频率(1.561 GHz)和全球定位系统L1频段中心频率(1.575 GHz)处的增益分别达到了2.56 dBi和2.75 dBi。该天线采用八臂缝隙螺旋和交叉偶极子臂耦合馈电相结合的结构,实现了较好的圆极化性能,同时具备宽频带和小型化的特点。

一种新型的低剖面定向宽带圆极化天线设计

针对低剖面定向圆极化天线结构复杂、带宽较窄等问题,设计了一款基于类同轴波导的紧凑型宽带定向圆极化天线。该天线于波导上表面印制螺旋缝隙,波导内端口处使用同轴接口馈电。天线端口反射系数性能可通过合理地调节波导内外导体尺寸进行优化,避免了馈电网络的使用,天线结构得到简化。另外,天线无需借助反射地板可直接实现定向辐射性能,使剖面尺寸降低至0.1λ(λ为自由空间中最低频点波长),并由于同轴波导的宽带通性实现57%(2.7~4.85 GHz)的有效带宽。运用介质集成波导技术制作该结构天线,并进行仿真和测试,两者结果吻合良好,证明此种设计方法的有效性。与其他定向圆极化天线相比,该天线整体结构紧凑、设计简单、避免了复杂的馈电网络,且具有较宽的有效带宽。

GIS局部放电检测用小型化平面螺旋天线研究

随着变电站中气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的广泛应用,局部放电检测逐渐成为发现故障隐患的重要手段。基于超高频(UHF)局部放电的检测原理,设计了一种工作于UHF频段的小型化天线。该天线基于传统阿基米德平面螺旋天线,利用一种振幅随着幅角线性增加的新型正弦波加载方式对天线进行进一步的小型化处理。通过HFSS软件进行仿真和试验验证,结果表明该天线在端口性能、方向性能以及增益等方面均满足局部放电检测的要求;同时天线尺寸较小,使用时易于安装,后续在GIS设备局部放电现场检测中有较大应用前景。

无线通讯用硅基微小Spiral天线的设计和制作

微小双波段天线通过采用微电子加工工艺在高电阻率硅片上被设计和制备,测试得到天线基本为全向辐射,增益为2.8 dB,谐振频率分别为7.6 GHz和20.2 GHz,反射系数分别为25 dB和23 dB,此天线的设计制造利于IC集成。文章还重点对天线的制作工艺进行了详细地介绍,对于以后此类研究具有一定的参考价值。

一种宽带高增益圆极化超表面天线

提出了一种基于超表面的宽带高增益圆极化天线。首先,采用改进的平面螺旋天线作为馈源,螺旋臂宽先增大后减小,既紧密缠绕又缩短了臂长,提升了圆极化性能的同时,缩减了天线的尺寸;然后,设计了一种宽带单层的超材料单元结构,其相位调控范围可达360°,通过周期性排布将其组成反射超表面;最后,将馈源放置在反射面的焦点处,实现高增益天线整体设计。实验结果表明,所提出的天线最高增益可达23.2 dBic,3 dB增益带宽为44%(4.8~7.5 GHz),该频段内阻抗匹配良好(驻波比小于1.5)且满足圆极化特性(轴比小于3 dB),实测结果与仿真结果一致性较好。该天线方向性图稳定,实现了电磁能量的聚集。

基于扩展天线的智能手机GNSS RTK定位性能研究

本文对外接低成本螺旋天线的Mi8智能手机观测数据质量进行了研究,从载噪比(CNR)、伪距残差、相位残差等方面进行了分析和评估.结果显示:外接天线的Mi8手机原始全球卫星导航系统(GNSS)观测值的CNR比内置天线手机高约10 dB-Hz,和测量型接收机CNR水平几乎相当;伪距残差在5 m以内;与内置天线手机不同,外接天线手机伪距残差与高度角、CNR的相关性都较强.在此基础上给出了基于高度角和CNR的两种定权模型,并基于扩展天线的Mi8手机开展了静态和动态环境下的实时动态(RTK)精密定位性能测试实验.实验结果表明:在静态环境和动态环境下外接天线的Mi8手机RTK定位精度均可达到厘米级;使用基于CNR定权的随机模型相较于高度角定权的随机模型,在动态场景下具有更高的定位精度,具体表现为在水平和高程方向上分别有约16%和50%的精度提升.

宽频带的微带等角螺旋天线设计

为了实现宽频带天线指定方向的高性能辐射,设计了一种宽频带的微带等角螺旋天线。为实现阻抗匹配,天线馈电部分设计了一种指数渐变式微带巴伦结构。经过实物测试参数,结果表明加入了指数渐变巴伦结构后天线实现了良好的阻抗匹配并具有良好的宽频带特性,其工作带宽为1.74~4.82 GHz,回波损耗最低达-30 dB。同时设计了一个平底型金属反射腔用于反射背向电磁波,在保持宽频带工作特性的同时,使天线具有了良好的单向辐射特性,天线在整个工作频段内的增益均大于6 dB,与传统的螺旋天线相比,具有宽频、定向、高增益的特点,具有一定应用前景。

面向航天器表面静电放电检测的柔性天线传感器设计

航天器在轨运行时其表面会与空间等离子体和高能电子相互作用而产生静电放电(ESD)效应,威胁航天器在轨安全。文章基于航天器静电放电产生的电磁脉冲信号频谱特性,设计一种柔性平面等角螺旋天线与阿基米德螺旋天线相结合的柔性天线传感器,其电磁脉冲感知本体直径为144 mm,厚度为0.35 mm。ANSYS HFSS软件的仿真结果表明:在天线弯曲半径分别为0和150 mm条件下,在50 MHz~3 GHz频带,电压驻波比(VSWR)均小于2,说明天线辐射性良好。对柔性天线传感器的ESD检测性能进行实测,结果表明该柔性天线传感器在弯曲前后均能有效接收到电磁辐射脉冲信号。该研究可用于航天器静电放电检测,具有实际工程意义。

基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计

为满足运载火箭轨道作业段遥测全帧码流中有效载荷姿态、冲击、速率等关键信息参数的挑路、帧重构及传输的需求,提出了一种基于双臂螺旋天线的箭载天基遥测系统设计。本文在通过COMSOL仿真软件对系统双臂螺旋天线在轴向工作模式下的散射参数(Scatter参数,S参数)和远场辐射方向图进行电磁波、频域及重力场耦合仿真分析的基础上,选择了385 MHz、4.77 GHz频段作为主、备份频段进行天基遥测数据的传输,最后在整箭模拟飞行测试中进行了天基遥测系统空间衰减等效实验。实验结果表明,地面天基检测站“捕获”、“载波”、“帧同步”、“符号同步”功能正确,精准完成了箭载天基遥测系统状态锁定,近地轨道处遥测数据传输速率稳定保持在1.2 Mbps,系统链路余量充裕,与现有系统相比同等条件下的箭地通信速率提升比至少达到了76%。

高频地波雷达电小多频天线设计

本文通过顶部加载多个平面阿基米德螺旋线圈得到具有多频功能的电小地波雷达天线。采用CST软件设计多个平面螺旋线圈的尺寸参数,所设计的天线具有3.7 MHz、6.5 MHz和8 MHz三个频点,天线总高度相对3.7 MHz的天线电长度仅为0.077λ,属于电小天线。采用Dixon优化算法实现多频点的阻抗匹配,在匹配元件数较少前提下保证各个频点带宽大于60 kHz,满足了设计要求。天线实测结果和CST仿真结果吻合,说明了本文方法在实现高频地波雷达天线小型化和多频化方面具有可行性和有效性。

用于变压器局部放电检测的超高频

传统的局部放电检测方法,由于测量频带窄、抗干扰能力差、信息量少,已经不能满足变压器局部放电检测(特别是在线检测)的需要,因此,近年来提出的超高频检测技术得到了较快的发展.根据GIS中超高频检测的经验,并结合变压器的结构和放电特性,该文研制了一种宽带超高频传感器,其有效带宽为500～1500 MHz.用天线理论对该传感器的特性加以分析并在实验室中进行了性能实测,结果表明该传感器具有良好的使用特性.该文用该传感器研究局部放电信号,在其有效频率范围内可以精确地提取放电发射的电磁信号,从而为进一步研究超高频局部放电检测技术在变压器中的应用奠定了基础.

变压器局部放电超高频信号的外部检测

电力变压器局部放电超高频检测法中一般将传感器安装于箱体内部,这对已投入运行的变压器来说是有潜在危害的。为此,先分析了变压器箱体对局部放电超高频电磁波传播的影响,探讨了接收天线外部检测超高频信号的可行性,再实验研究了局放超高频电磁波的外传播特性。结果表明,超高频电磁波可以透过变压器箱体夹缝衍射出来,外部检测到的超高频信号强度随着变压器箱体缝宽增大而增大;变压器套管附近安装接收天线也能检测到超高频信号。