一种小型平面螺旋天线

一种小型平面螺旋天线

龙小专1袁飞2

（西南电子设备研究所，成都四川，610036）

摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。

关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器

A Miniaturized Planar Spiral Antenna

Long Xiaozhuan 1Yuan Fei 2

(Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036)

Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article.

Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun

1 引言

平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。

随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于 2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 2 电阻加载

平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为：

r r aφ

=+（1）

式（1）中，

r是起始半径，a为螺旋增长率，φ是以弧度表示的幅角。双臂平面阿基米德螺旋天线如图1（a）所示。

平面阿基米德天线一般在螺旋面的中心起始端两点采用平衡馈电，而主要辐射区域是集中在平均周长为一个波长的那些环带上，也称有效辐射区。当频率改变时，有效辐射区随之改变，但辐射方向图基本不变。而当有效辐射区为天线的最外圈区域

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时，其频率即为天线的最低工作频率。对于圆形螺旋面，周长max C D λ=π×=，则可得天线外径：

max /D λ=π （2）

（a ）普通螺旋面 （b ）末端电阻加载

图1 阿基米德螺旋面及电阻加载示意图

本文设计的天线，其口径尺寸不大于Ф30mm ，工作频率为2.5 GHz ～6GHz 。由式（2）计算得天线最低工作频率为3.18GHz 。作为验证，在HFSS 中对其进行仿真模拟。采用厚度为0.508mm 的Duroid 5880基材，其介电常数为2.2，螺旋线宽度和间距均取0.4mm 。一般地，螺旋线宽和间距相等的自补型阿基米德螺旋面的输入阻抗为125?左右，因此仿真模拟时在螺旋面中心处采用125?的平衡馈电。在图2的驻波比和轴向轴比仿真结果表明，该尺寸的普通辐射螺旋面，不能满足2.5GHz ～6GHz 的工作要求。

（a ）驻波比 （b ）轴向轴比

图2 普通螺旋面仿真结果

普通辐射螺旋面不能满足指标要求，因此对其进行电阻加载设计。阿基米德螺旋天线可视为行波天线，电流由中心馈电处逐渐流向外层。天线上的电流在流过有效辐射区之后并不明显的减小，以致天线结构在终端被截断后，电特性将受到一定的影响。为了避免此现象的发生，可在终端进行电阻加载，以吸收末端电流，减小终端反射对天线电性能的影响，改善天线的驻波比和轴比等性能，从而有效扩展天线的低端工作频率。

如图1（b ）所示，在实际工程设计中，可在普通辐射螺旋面的基础上，取天线的最后半圈进行截断，截断处焊接一定阻值的贴片电阻。截断剩余的几条金属条带长度及焊接的电阻阻值均可作为设计和优化的参数，但一般来说，现有的贴片电阻的阻值是一定的，因此通常将金属条带的长度作为可变的参数进行优化设计。本文中，将螺旋线的最后半圈分成四段，每段弧长（即两个电阻之间的间距）所对应的角度及每个加载的电阻阻值如表1所示。

表1 末端分段长度对应角度及加载电阻值

R1-R2 R2-R3 R3-R4 R4-R5 65 rad

50 rad

15 rad

50 rad

R1 R2 R3 R4 R5 33? 56? 91? 150? 270?

在HFSS 中进行仿真计算，得到电阻加载辐射螺

旋面的性能结果如图3所示。

（a ）驻波比 （b ）轴向轴比及增益

图3 电阻加载螺旋面仿真结果

从图3中可见，由于采用末端离散电阻加载设

计，天线的驻波比和轴向轴比明显减小，其中驻波比在2.5GHz ～6GHz 频段内小于1.3，轴向轴比在整个频段内小于2dB 。对比未进行电阻加载的普通螺旋面，其驻波比和轴向轴比性能，尤其是低端频率性能，得到了明显改善。可见，对螺旋面进行末端离散电阻加载，可有效改善天线的低端频率特性，扩展天线的低端工作频率。

3 平衡器及综合设计

从图1中可见，螺旋面是一种平衡结构，而常

用的同轴馈线、微带线是非平衡结构，如果直接采用非平衡的同轴线、微带线对螺旋面馈电，就会在同轴线外导体外壁或微带线的地板外侧上形成电流。该电流在空间中的辐射场会与螺旋面的辐射场叠加，从而影响了原螺旋面的方向图，造成天线方向图的歪头、凹顶等。其次，自补型螺旋面的输入阻抗为125?左右，而同轴线的特性阻抗为50?，如果直接将两者连接，由于阻抗的不匹配，电磁波会在连接处产生很大的反射，从而恶化天线的驻波比和增益等性能。

平衡器的设计就是为了解决上述两个问题[3]。目

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前常用的宽带平衡器主要有无限巴伦、微带线到双线的转换巴伦和马欠德平衡器三种。无限巴伦可解决平衡问题，但不能解决阻抗不匹配问题[4]；微带线到双线的转换巴伦可很好的解决宽带阻抗匹配问题，但不能解决宽带平衡问题，且一般来说，其渐变线长度为最低频率波长的一半。马欠德平衡器可同时解决宽带平衡与宽带匹配的问题，被广泛用作各种平面螺旋天线的平衡器[5]。

马欠德平衡器及其等效电路图如图4所示。从图4

（a ）中的等效电路图可见，输入端接电长度为1θ、特性阻抗为1Z 的传输线，然后串联电长度为2θ、特性阻抗为2Z 的终端开路传输线；并联电长度为3θ、

特性阻抗为3Z

的终端短路传输线，形成平衡输出。再经过电长度为4θ、特性阻抗为4Z 的传输线进行阻抗变换后，实现对所需阻抗的平衡输出。一般地，串联开路线和并联短路线的长度为4

/0λ。当频率变化，其长度偏离0/4λ时，串联线和并联线的阻抗可以相互补偿，从而展宽了工作频带。若选取10Z Z =，20/4Z Z =，304Z Z =时，上下限工作频率覆盖可达

4:1，负载0R Z =。当负载0R Z ≠时，可通过调整开路线和短路线的阻抗值及长度得到所需的阻抗变换比（0/R Z ）和频率覆盖范围[3]。

（a ）等效电路 （b ）同轴型 （c ）微带型

图4 马欠德平衡器

根据马欠德平衡器的原理，在HFSS 中进行微带线型平衡器的建模和仿真设计，模型如图5（a ）所示。仍采用厚度为0.508mm 的Duroid 5880基材。输入端为特性阻抗为50?的微带线，在地板开槽对应处后接长度约为0/4λ的开路线，宽度对应于开路线的阻抗；地板中心开槽，槽宽对应于短路线的阻抗；地板在微带线转折对应处以后宽度逐渐减小，最后减小为所需馈电的螺旋线宽。为了对螺旋天线进行馈电，输出端设置为特性阻抗为125?的平衡端口。通过HFSS 仿真，并对开路线宽、开槽宽度、长度等参数进行优化，最后得到单个平衡器和背靠背结构的平衡器仿真结果如图6所示。

（a ）单个平衡器 （b ）背靠背结构

图5 微带马欠德平衡器

（a ）单个平衡器结果（b ）背靠背结果

图6 微带马欠德平衡器仿真结果

从图6中可见，本文设计的微带线型马欠德平衡器在2.5GHz ～6GHz 的驻波比<2，插入损耗<-1dB ，可用作平面螺旋天线的馈电装置。

将该平衡器与前述之电阻加载螺旋面结合，并设置背腔，最终得到平面螺旋天线模型及仿真结果如图7所示。

（a ）模型 （b ）驻波比结果

（c ）增益结果 （d ）轴向轴比结果

（e ）E 面方向图 （f ）H 面方向图

图7 天线整体模型及综合仿真结果

从图7的仿真结果可见，在2.5GHz ～6GHz 的频段内，天线的驻波比≤2.5，增益≥-15dBi ，轴向轴比≤3dB ，方向图最大辐射方向为正前向0o方向，

无波束歪头和凹顶，主瓣宽度约为60o～90o，满足系统指标要求。

4 结论

本文在普通平面阿基米德螺旋面的基础上，采用末端离散电阻加载技术，仿真设计了一种小型平面阿基米德螺旋面，并结合设计的平面马欠德平衡器，所得平面螺旋天线，各项指标均圆满达到设计要求。电阻加载技术能改善平面螺旋天线的驻波比和轴比等性能，从而扩展了天线的工作频带，提高了天线的实用范围。

参考文献

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

[2] H. Nakano, H. Mimaki, J. Yamauchi, and K. Hiroset. A Low Profile Archimedean Antenna [J]. Antenna and Propagation Society

International Symposium , 1993.

[3] V. Trifunovic, B. Jokanovic. Review of printed Marchand and double Y baluns: characteristics and application[J]. IEEE

Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1994. 42 (8).

[4] 尹应增, 夏静改, 龚书喜, 刘其中. 宽频带微带传输线巴伦的研究[J]. 电波科学学报, 1999. 2.

[5] J. Dyson. The Equiangular Spiral Antenna[J]. IRE Transactions on Antennas and Propagation, AP-7, April, 1959.

作者简介：

龙小专，男，助理工程师，主要研究领域为宽带天线；

袁飞，男，工程师，主要研究领域为计算电磁学和宽带天线等。

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一种小型平面螺旋天线

作者：龙小专， 袁飞

作者单位：西南电子设备研究所,成都 四川,610036

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一种小型平面螺旋天线概要

一种小型平面螺旋天线 龙小专1 袁飞2 （西南电子设备研究所，成都四川，610036） 摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1 Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为： r=r0+aφ （1）

一种低剖面平面螺旋天线的设计

一种低剖面平面螺旋天线的设计 [ 录入者:天线微波 | 时间:2008-12-19 12:31:09 | 作者:景小东张福顺 | 来 源: | 浏览:498次 ] 摘要文章提出了一种低剖面平面螺旋天线的设计方法，用金属反射板代替传统的A ／4反射腔来实现螺旋天线的单向辐射，并在螺旋末端接以阻性负载，以改善天线的电性能。实验结果表明，对于工作频带为1．3GHz～2．1GHz的四臂平面阿基米德螺旋天线，在保证天线特性的前提下，整个天馈结构的厚度减小至17ram。 0 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¨J。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。通常的做法是，在螺旋天线的一侧加装反射腔，并根据实际情况在腔内填充微波吸收材料。这种做法能使天线达到相当宽的频带(2GHz～ 18GHz) 』，但其最大的缺点是，由于微波吸收材料的存在，近一半的辐射能量将被吸收掉 J，这使得天线的效率大大降低；即使不填充吸收材料，反射腔A／4的高度又使得天线的厚度过大，这在某些应用中又令人难以接受。 文章根据四臂平面螺旋天线的原理，设计了相应的馈电网络，将其地板作为天线的平面反射器，代替A／4反射腔，并在螺旋终端接阻性负载，以减小由镜像电流引起的互耦对天线电性能的影响。 通过调整天线辐射器与馈电电路板的间距，在保证天线电性能的前提下，使天线厚度减薄至17ram，满足低剖面要求。 1 天线设计 1．1 平面阿基米德螺旋天线 平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线，在结构上又有单臂、双臂、四臂之分。文章采用四臂平面阿基米德螺旋天线，其结构如图1所示。其中螺旋臂1的两条边缘线满足的曲线方程分别为：

螺旋天线综述

螺旋天线综述 1 引言 螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。 同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。 螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。 2 螺旋天线的发展 螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。 20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。 2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。

螺旋天线介绍

螺旋天线介绍 由金属导线绕成螺旋形状的天线。它由同轴线馈电，在馈电端有一金属板（图1）。螺旋天线的方向性在很大程度上取决于螺旋的直径(D)与波长(λ)的比值D/λ。当D/λ＜0.18时，螺旋天线在包含螺旋轴线的平面上有8字形方向图，在垂直于螺旋轴线的平面上有最大辐射，并在这个平面得到圆形对称的方向图。这种天线称为法向模螺旋天线（图2a），用于便携式电台。当D/λ＝0.25～0.46（即一圈螺旋周长约为一个波长）时，天线沿轴线方向有最大辐射，并在轴线方向产生圆极化波。这种天线称为轴向模螺旋天线（图2b），常用于通信、雷达、遥控遥测等。当D/λ进一步增大时，最大辐射方向偏离轴线方向（图2c）。

轴向模螺旋天线应用最广。图1中，D为螺旋天线直径；S为螺距；l为一圈周长；n 为圈数；α为升角；L为轴线长。它们的关系是 l2＝(πD)2＋S2 L＝nS α＝0的螺旋为平面上的单圈螺旋，取周长近似等于一个波长，并假定线上运载行波电流。在某一瞬时线上是正弦电流分布（图3）。在和x与y轴对称的任意四点A、B、C、D，电流存在下列关系： 这些电流的方向相反，它们的作用彼此抵消，所以在z轴方向只有Ey分量起作用。绕圈运载的是行波，电流沿线圈的分布将绕z轴旋转。因此，在z轴方向的电场Ey也绕z轴

旋转，于是在轴向产生圆极化波，并有最大辐射，故称为轴向模辐射。这种天线具有圆极化辐射的特点，它的频带很宽，在1:1.7通频带内方向图变化不大，而且天线的输入阻抗几乎恒定，约为140欧。朝辐射方向看，螺旋右绕产生右旋波，左绕产生左旋波。为了进一步展宽频带，可将螺旋天线做成圆锥形（图4）。 法向模螺旋天线(D/λ＜0.18)实质上是细线天线，为了缩短长度，可把它卷绕成螺旋状。因此，它的特性与单极细线天线（见不对称天线）相仿，具有8字形方向图，并且频带很窄，一般用作小功率电台的通信天线。 边射式螺旋天线是一种法向模螺旋天线。它是在螺旋的中心轴线上放置一根金属导体，当螺旋一圈的周长l=Mλ(M=2，3，…整数)时，也在螺旋的法向产生最大辐射（图5）。这种天线可用作电视发射天线。

一种小型平面螺旋天线

一种小型平面螺旋天线 龙小专1袁飞2 （西南电子设备研究所，成都四川，610036） 摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。 随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于 2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为： r r aφ =+（1） 式（1）中， r是起始半径，a为螺旋增长率，φ是以弧度表示的幅角。双臂平面阿基米德螺旋天线如图1（a）所示。 平面阿基米德天线一般在螺旋面的中心起始端两点采用平衡馈电，而主要辐射区域是集中在平均周长为一个波长的那些环带上，也称有效辐射区。当频率改变时，有效辐射区随之改变，但辐射方向图基本不变。而当有效辐射区为天线的最外圈区域 ·553·

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计

一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计 夏成刚 （华南理工大学电子与信息学院） 摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。 关键词：螺旋天线；巴伦；设计 Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun XIA cheng-gang （School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。 Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics. Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design 1 引言 平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。常用的平面螺旋天线有阿基米德螺旋天线和平面等角螺旋天线等，这类天线都有互补周期性结构，能够在较宽频带内保持天线的输入主抗基本不变，易于匹配，通常采用巴伦进行匹配。本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，并设计了匹配的巴伦，通过HFSS仿真计算，给出了0.4-2GHz范围内天线的增益、阻抗、圆极化轴比及部分频率点的方向图。 2 平面等角螺旋天线的设计 2.1 平面等角螺旋天线 平面等角螺旋天线是一种完全由角度确定形状的天线，其曲线方程[1]为 r=r0e a(Φ-Φ0) (2.1) 式中：r0是对应Φ0时的矢径，a为螺旋增长率，Φ0为螺旋的起始角。平面等角螺旋天线如图1所示。当a减小时，螺旋臂曲度增大，电流沿螺旋臂衰减变快。通常a取值为0.12-1.20，当螺旋臂等于或大于一个波长时，天线开始呈现出非频变天线特性，因此通常要求臂长大于一个波长，天线半径R则至少等于λ/4。 图1 平面等角螺旋天线（δ=90）

利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要

利用HFSS设计平面等角螺旋天线 杜起飞 北京理工大学电子工程系 100081 摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比 VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。 关键词：HFSS、等角螺旋天线、宽带匹配

1. 引言 天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。 本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。 2. 利用HFSS设计平面等角螺旋天线 平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS中的模型如图1所示。它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。 2.1 平面等角螺旋天线 图1 平面等角螺旋天线在HFSS中的模型图2 自补形平面等角螺旋天线 平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。边缘1的方程为 边缘1旋转角δρ1=ρ0eaφ，边缘2相对于a(φ?δ)ρ=ρe20，故其方程为。天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有ρ3=ρ0ea(φ?π)和ρ4=ρ0ea(φ?δ?π) 。图中的结构是自补形，因而δ=π/2。 自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为： ?ρ1=ρ0eaφ ?π?ρ=ρea(φ?2?2 (1) 0?a(φ?π)?ρ3=ρ0e ?πa(φ?π?)2??ρ4=ρ0e - 74 - Ansoft2004

画平面螺旋天线

画平面螺旋天线 1.首先，画一个平面，以一个圆面为例吧 2.然后，点击工具栏Draw/spiral，选择一个轴，这时弹出一个对话框，选择螺旋方向，半径，螺旋圈数3。点击确定螺旋即可画好，然后在绕z轴旋转180度，可得双臂平面螺旋天线 HFSS学习小结 已经接触HFSS近两个月了，想用于材料电磁场屏蔽的设计和计算，不知是否可行，now have followed the example _heat sink in the chapter 9.0 _ EMC/EMI in full book 10.0 成功的做出了个结果，现在把看到别人的、自己知道的做一下总结：The main process : building 3D solid modeling; set boundaries and excitations ; analyze the result Before we build the modeling, we should think about what kind of method we use, there are three kinds of solution type: driven model; driven terminal; eigenmode 模式驱动(Driven)------计算以模式为基础的S参数.根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解,波导,天线等用这个模式多终端驱动(Driven Terminal)------计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数。此时,根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解----微带类用这个比较多! 本征模(Eignemode)-----计算某一结构的本征模式或谐振.本征模解算器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式! Eignemode solver does not use ports and don’t support radiation boundaries. After launching the software, we should set tool options, included HFSS option and 3D modeler option Select the menu item tool >option we can see those options Software will open a project by default First step is select solution type HFSS>solution type Set the units 3D modeler>units 单位可以在其它状态下改变3D modeler包括了与模型有关的操作和设置Set default material 在set 一次后的情况下其后建立的modeler 都是在此material 下的在default 的情况下history 的列表中按材料的种类进行分类建立模型过程中使用相对坐标会很方便，3D modeler>coordinate system > create> relative CS >Offset , 在建模过程中可能要使用很多相对坐标，在set相对坐标的时候，offset是相对于当前CS的位移，在3D Modeler>coordinate system>set working CS 可以选择使某个坐标为当前工作坐标，在history 的coordinate system 的列表中显示所有的坐标系，当前工作坐标将有个W的标记。在模型复杂的时候需要用适当的方式进行选择某些面、体进行编辑，在edit 里提供了多种方式，常用edit>select>by name 在选择后可以set boundary 等一些操作同样可以在history里双击某项名字从而edit property，设置好boundary和excitation 就可以进行analysis setup HFSS>analysis setup>add solution setup 其中包括最大迭代次数maximum number of pass 每两步迭代之间的误差，看来上的数值分析还是有用的在analyze 之前运行一下model validation select the menu item HFSS>validation check 运行check 以后虽然没出现问题，也不能说明，模型正确，一定能计算出结果，只是说明完成了建模过程中的每个步骤,由message 窗口，得到信息，以便修改Analyze HFSS>analyze all 在message 窗口中可以知道analyze 的完成情况；从solution data 中有三个标签，其中主要可以从convergence中看出迭代计算的收敛情况；同样可以看到场的分布状况首先选择model 某个部位， HFSS>fields>fields从这个菜单中可以选择要显示电场或者磁场例子中选择的是地平面edit>select>by name>ground 显示某个部位的场分布HFSS>fields>fields>

利用HFSS设计平面等角螺旋天线

利用HFSS 设计平面等角螺旋天线 杜起飞 北京理工大学电子工程系 100081 摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。 关键词：HFSS 、等角螺旋天线、宽带匹配 1. 引言 天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。 本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。 2. 利用HFSS 设计平面等角螺旋天线 平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS 中的模型如图1所示。它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。 2.1 平面等角螺旋天线 图1 平面等角螺旋天线在HFSS 中的模型 图2 自补形平面等角螺旋天线 平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。边缘1的方程为 ，边缘2相对于边缘1旋转角φρρa e 01=δ，故其方程为。天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有和。图中的结构是自补形，因而)(02δφρρ?=a e ) (03πφρρ?=a e ) (04πδφρρ??=a e 2/πδ=。 自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为： ?????????====????)2(04)(03)2(0201ππφπφπφφ ρρρρρρρρa a a a e e e e (1)

螺旋天线设计

天线 ――螺旋天线物理尺寸对天线效率的影响 一、天线概览 绝大多数天线具有可逆性：即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性时相同的。 辐射方向图：表示给定距离下天线的辐射随角度的变化，辐射的强弱由离天线给定距离r处的功率密度S来评价。接收模式下，天线对于某方向来波的响应正比于辐射方向图上该方向的值。 方向系数：表示最大辐射强度于全空间均匀辐射时的平均辐射强度之比。 极化：描述了天线辐射时电场矢量的特征，瞬时电场矢量随时间的轨迹图决定波动的极化特性。 天线的输入阻抗：是天线终端电压与电流之比，通常的目的是使天线的输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。 §天线分类 依据频率特性的不同，可以把天线分成四种基本类型。 ◎电小天线：天线的尺寸比一个波长l小很多。特征：很弱的方向性，低输入电阻，高输入电抗，低辐射效率。适合于VHF或更低的波段。如短振子，小环。 ◎谐振天线：在谐振频率点或某个窄频带内工作令人满意。特征:低或中等增益，实输入阻抗，带宽狭窄。主要用于HF到低于1GHz的频段。如半波振子，微带贴片，八木天线。 ◎宽带天线：在一个很宽的频率范围内，方向图、增益和阻抗几乎是常数，并且能够用有效辐射区的概念表述其特征，该区域在天线上的位置随频率的变化而变化。特征：低到中等增益，增益恒定，实输入阻抗，工作频带宽。主要用于VHF直至数个GHz的频段。如螺线天线，对数周期天线。 ◎口径天线：由一个供电磁波通过的开放的物理口径。特征：高增益，增益随频率增大，带宽中等。用于UHF和更高的频段。如喇叭天线，反射面天线。 §天线的电气特性 （1）方向特性――方向图（BW0.5，FSLL）、方向系数D、增益G。 （2）阻抗特性――输入阻抗Zin、效率 2 640 r h R l 骣 ÷ ? ?÷ ?÷ ?桫 A h，（辐射阻抗Z S） （3）带宽特性――带宽、上限频率f1，下限频率f2。（4）极化特性――极化、极化隔离度。

阿基米德螺旋天线

阿基米德螺旋天线小型化研究 电子与信息技术研究院：田塽指导教师：宋朝晖 摘要：本论文介绍的是利用一种特殊的曲折臂方法对阿基米德螺旋天线进行小型化，并且通过在天线的末端加载一个圆环来改善天线的圆极化特性。首先利用CST Microwave-studio软件对设计的小型化天线及超宽带馈电巴伦（balun）进行计算机仿真；之后，根据仿真结果，加工最佳结构的天线与巴伦，并进行了测量。测量结果表明本课题对天线小型化的整体分析与设计是合理、有效的。 关键词：阿基米德螺旋天线；超宽带巴伦；天线小型化 Abstract：This paper introduces a special zigzag-arm method for the miniaturization of the conventional Archimedean spiral antenna and improves the circular polarization characteristic of the miniaturization Archimedean spiral antenna by adding a loop on the back of printed circuit board which the antenna in etched on. Firstly, a great deal of simulation of the miniaturization antenna and balun is made using CST（Microwave-studio）software. Then, according to the simulated results, we process the embodiment with the optimum parameters and test it. The experimental results verify the effectiveness of this antenna design. Key words：Archimedean spiral antenna ultra wide-band balun antenna miniaturization 1引言 阿基米德螺旋：一动点沿一直线作等速移动的同时，该直线又绕线上一点O作等角速度旋转时，动点所走的轨迹就是阿基米德涡线。直线旋转一周时，动点在直线上移动的距离称为导程用字母S表示。 超宽带（Ultra Wide Band, UWB）天线技术是超宽带雷达和导弹制导系统中的关键技术之一。应用超宽带天线制导的导弹将具有很强的信号接收能力和抗干扰能力，从而可以达到精确制导的军事目的。因此，发展超宽带天线技术具有极其重要的军事意义和现实意义。阿基米德平面螺旋天线，作为超宽带天线的一种形式，可以做得尺寸很小，也较轻，而且可以齐平安装，属于低轮廓天线，因此在最近的二十多年里，阿基米德平面螺旋天线得到了飞速的发展，不仅在雷达、导弹制导等军事领域得到广泛应用，同时也在民用领域发挥巨大作用，如它可以同时为GSM系统和卫星通讯系统提供服务。本课题的研究和设计任务就是寻找一种能够使传统的阿基米德螺旋天线小型化的方法[1]。 2适合课题要求的天线及巴伦的设计 2.1 天线的设计 根据本设计的技术指标和实际要求，本文提出的设计思想是采用曲折臂的方法对阿基米德螺旋天线进行小型化设计。为了使小型化以后的天线的带宽、增益、轴比和半功率角宽度都能达到设计指标，要经过各种天线模型与天线参数的调整，再通过CST软件进行计算机仿真，根据合适的结果进行实际的设计、制作和测试。 首先利用CST仿真软件建模并仿真了传统的阿基米德螺旋天线，天线结构如图2-1所示。由于本课题所要设计的天线的工作频率范围为0.8GHz—4GHz，由此得外径R =75mm，内径r =9.375mm。经过对大量小型化天线模型的仿真，最后选择了如图2-2所示的曲折臂阿基米德螺旋天线的结构（其中黑色为金属良导体，即天线臂；蓝色为聚四氟乙烯敷铜板，厚2.5mm，介电常数2.32）。小型化

(完整word版)四臂螺旋天线简介

四臂螺旋式天线 四臂螺旋式天线（Quadrifilar Helix Antenna ）一般由四条按特定规则弯曲的金属线条镶于圆柱形基材上，无需任何接地。它具备有Zapper天线的特性，也具备有垂直天线的特性。此种巧妙的结构，使天线任何方向都有3dB的增益，方向图特性良好。四臂螺旋式天线拥有全面向360度的接收能力，因此在与pda结合时,无论PDA的摆放位置如何,四臂螺旋式天线皆能接收,有别于使用平板GPS天线需要平放才能较好的接收的限制.使用此种天线,当卫星出现于地平面上10度时,即可收到卫星所传送的讯号. 四臂螺旋天线是美国约翰普金斯大学应用物理实验室博士Kilgus于1968年提出的，之后人们对其进入了深入的研究。该天线具有心型方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性，因此被广泛应用于卫星通信系统，尤其被认为是理想的全球定位系统GPS和卫星手机接收天线，但体积大是其缺点。 早期四臂螺旋天线的辐射单元一般采用金属管或金属线，通过弯曲成型或缠绕在绝缘柱上，这样必然需要在馈电网络中加入复杂的平衡转换器和阻抗匹配网络，螺旋结构也需要机械支撑，因此天线体积较大，难于批量生产。 2001年Leisten提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线。该天线采用陶瓷填充，天线体积缩小大10.00×17.8mm（底面直径×高），为未加载的1\6.相对于应用于GPS系统的介质加载微带贴片天线，DQHA还具有优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被束缚在陶瓷核内，近场很小，天线受手机、人体等周围环境影响很小。 陶瓷天线虽然在性能方面表现已经较好，但需要十多种不可缺少工艺，才制成产品。流程长的代价是产品巨贵，且体积不大不小的，在手机中用，体积需要进一步减小。为此国内研究左手材料及天线的专家在2011年联合推出了一款自主研发的新型多频四臂螺旋天线，即微航牌四臂螺旋天线。相比于陶瓷天线，微航牌天线在相同的体积增益高、相同的增益体积小，并有圆柱型（直径6.0mmX12mm）、条形（6.0mmX6.0mmX13mm）等多种款式，可用于手机GPS中。 四臂螺旋天线目前主要可分为陶瓷四臂螺旋天线和新型四臂螺旋天线。

缝隙螺旋天线及其小型化设计

缝隙阿基米德螺旋天线及其小型化设计 摘要：本文介绍了缝隙形式的平面阿基米德螺旋天线并与普通平面阿基米德螺旋天线进行了对比。在此基础上提出了一种将缝隙设计成曲折线的形式，末端采用电阻加载，采用直接同轴馈电的方式，浅背腔的设计，从而达到将平面螺旋天线小型化的目的。制作的小型化天线直径大小只有75mm厚度12mm，在0.9-4GHz的频带范围内有良好的阻抗特性和增益特性，满足工程使用的要求。 关键词阿基米德螺旋天线、缝隙螺旋天线、小型化、电阻加载、曲折臂 中图分类号：TN823．31 文献标识码： A Miniaturization of Slot Planar Archimedean Spiral Antenna In this paper，slot planar Archimedean spiral antenna and the contrast between it and the common planar Archimedean spiral are introduced. On this condition, the miniaturization of slot planar Archimedean spiral antenna realized by designing the slot line in the form of meander line, discrete resistance loading in the end of antenna, a simple feed and shallow reflecting cavities. We get an antenna sample with a diameter of 75mm and a thickness of 12mm, the antenna which is qualified to the engineering applications ,keeps good characteristics of impedance match and gain. Key words: planar Archimedean spiral antenna，slot planar spiral antenna ，miniaturization，resistance loading，meander line 1、引言 平面螺旋天线[1]因其低剖面、圆极化、宽频带、易于共型等特点得到了广泛的应用。平面螺旋天线主要有等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线两种形式。阿基米德螺旋天线是一种较为常见的平面螺旋天线，它的曲线方程为： r=r+α(φ-φ)（1） 00 其中，r为曲线上任意一点到极坐标原点的距离，φ为方位角，0φ为起始角，0r为螺旋线起始点到原点的距离，a为常数，称为螺旋增长率。通常采用印刷技术制造这种天线，并且使金属螺线的宽度等于两条螺线间的距离，以便形成自补结构，这样有利于实现宽频带的阻抗匹配。缝隙阿基米德螺旋天线具有和普通阿基米德螺旋天线相类似的性质，但由于其更易于加载和更低的剖面在小型化方面难度低于普通的阿基米德螺旋天线。文章[2]给出了一种缝隙天线的设计，有效的解决了低剖面的问题，并改进了了平面螺旋天线的馈电方式。文章[3]提出了一种利用将平面阿基米德螺旋天线的双臂设计成曲折线的形式来进一步将平面螺

螺旋天线的分析

黄冈师范学院本科生毕业论文 题目：螺旋天线的分析 专业年级：电子信息工程（2008级）学号： 学生姓名： 指导教师： 论文完成日期2012 年 5 月

郑重声明 本人的毕业论文是在指导老师的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，如果有此现象发生，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可通过网络接受公众的查询。特此郑重声明。 毕业论文作者（签名）： ______年月日

目录 摘要..................................................................................................................................I ABSTRACT . (Ⅱ) 1、绪论 (1) 1．1螺旋天线的发展历史 (1) 1．2螺旋天线发展前景 (2) 2、螺旋天线的原理 (3) 2.1相关背景与技术 (3) 2．1.1 相似原理 (3) 2．1.2 非频变原理 (4) 2．1.3 螺旋天线工作原理 (4) 2.2螺旋天线的技术指标 (5) 2.3螺旋天线原理和相关计算 (8) 2．3.1 平面阿基米德螺旋天线的基本形式 (8) 2．3.2 螺旋天线辐射原理 (9) 2．3.3 螺旋天线的藕合原理 (10) 3.1HFSS简要介绍 (13) 3.2天线建模、仿真及结果分析 (13) 3．2.1 螺旋天线HFSS仿真流程图 (13) 3．2.2 天线仿真的参数结果和分析 (14) 结束语 (20) 参考文献 (21) 致谢 (23)

螺旋天线的分析

螺旋天线的分析

黄冈师范学院本科生毕业论文 题目：螺旋天线的分析 专业年级：电子信息工程（2008级）学号： 学生姓名： 指导教师： 论文完成日期2012 年 5 月

郑重声明 本人的毕业论文是在指导老师的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，如果有此现象发生，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可通过网络接受公众的查询。特此郑重声明。 毕业论文作者（签名）： ______年月日

目录 摘要........................................................................ I ABSTRACT .. (Ⅱ) 1、绪论 (1) 1．1螺旋天线的发展历史 (1) 1．2螺旋天线发展前景 (2) 2、螺旋天线的原理 (3) 2.1相关背景与技术 (3) 2．1.1 相似原理 (3) 2．1.2 非频变原理 (3) 2．1.3 螺旋天线工作原理 (4) 2.2螺旋天线的技术指标 (5) 2.3螺旋天线原理和相关计算 (7) 2．3.1 平面阿基米德螺旋天线的基本形式.. 8 2．3.2 螺旋天线辐射原理 (9) 2．3.3 螺旋天线的藕合原理 (10) 3.1HFSS简要介绍 (13) 3.2天线建模、仿真及结果分析 (13) 3．2.1 螺旋天线HFSS仿真流程图 (13) 3．2.2 天线仿真的参数结果和分析 (14) 结束语 (20) 参考文献 (21) 致谢 (25)

螺旋天线的分析 专业：电信班级：作者：指导老师： 摘要 本文对螺旋天线的发展历史和前景作了简要介绍，并对螺旋天线的工作原理和分析方法作了概述，包括对天线进行分析的主要指标、计算公式，螺旋天线的各项参数。针对平面阿基米德螺旋天线进行了详细分析和论述;同时针对该工作在2.4GHZ的阿基米德螺旋天线实体用ansoft hfss13.0软件进行仿真，探究了阿基米德螺旋天线参数对方向图、增益宽度、阻抗宽度、轴比宽度的影响,并且对仿真后的输入功率、净输入功率、辐射功率、辐射效率、方向性系数、最大增益、前后向比等进行分析。 关键词：螺旋天线阿基米德螺旋天线 hfss仿真功率辐射增益

一种RFID小型圆极化四臂螺旋天线

一种RFID小型圆极化四臂螺旋天线 摘要设计了一种用于UHF频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺旋天线。天线由印制在微带介质板的4个长条形臂组成，通过微带功分器馈电。天线在进行4个端口的单独匹配和功分器相连时，需采用一种新的匹配方法。通过仿真优化，天线尺寸为60 mm×60 mm×6 mm，峰值增益为3.8 dB，带内轴比<3 dB，3 dB波束宽度>120°，前后比>15 dB。实物测试结果与仿真结果吻合。 近年来射频识别(Radio Frequency of Identificatio，RFID)技术的应用逐渐广泛，同时也倍受重视。特别是UHF频段的RFID系统，由于其传输距离远、传输速率高，受到了更多地关注。典型的RFID系统由RFID阅读器和标签两部分组成，RFID无源标签依靠RFID 阅读器发射的电磁信号供电，并通过反射调制电磁信号与阅读器通信。因此，RFID标签天线设计的优劣对其系统工作性能有关键的影响。 常见的射频识别阅读器天线有折合振子天线、分形天线、微带天线以及轴向模螺旋天线。由于折合振子天线和分形天线一般为线极化天线，难以满足阅读器对各方向电子标签的识别要求，所以在较多场合不适用;而微带天线由于其面积尺寸过大，在小型化的阅读器手持机上的使用受到了限制;轴向模螺旋天线同样因轴向高度过高，在实际使用中也受到了限制。因此，如何设计出一种小尺寸、低剖面、高性能的圆极化射频识别天线成为了关注的焦点。 四臂螺旋天线由于其圆极化性能出色，被广泛应用于GPS领域。随后经过进一步发展，Wang—lk Son等人将四臂螺旋天线应用至RFID，并利用平面倒F天线代替了传统的单极子天线作为四臂螺旋天线的天线臂，如图1所示，实现了良好的效果。文中利用该方式，设计了一种在尺寸和性能上更具优势的RFID阅读器天线。 1 小型化四臂螺旋天线的设计 1.1 四臂螺旋天线的设计 文中设计的倒F四臂螺旋天线的结构如图2所示。天线由4个完全相同的倒F天线组成，水平部分印制在介电常数为9.6，尺寸为60 mm× 60 mm，厚度为1 mm的矩形微波复合介质板上，垂直部分印制在相同的4个厚度为1 mm的FR4小介质板上。4个天线馈电为等幅馈电，相位按逆时针相位依次滞后90°，形成右手圆极化。