用于無(wú)線局域網(wǎng)的軸向模螺旋天線設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)無(wú)線局域網(wǎng)通信天線的要求，設(shè)計(jì)了三種工作在5 GHz頻段性能良好的軸向模螺旋天線，其中一種為普通螺旋天線，第二種為加繞寄生螺旋天線，第三種為錐形加繞寄生螺旋天線。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS計(jì)算及對(duì)結(jié)果分析表明，加繞寄生螺旋將改善天線的軸向輻射特性，而錐形結(jié)構(gòu)將擴(kuò)展天線帶寬。
關(guān)鍵詞：局域網(wǎng)通信；軸向模；寄生螺旋；錐形螺旋

0 引言
    螺旋天線是一種寬帶行波天線，輻射圓極化波。按結(jié)構(gòu)來(lái)分有立體螺旋和平面螺旋兩種。立體螺旋天線的輻射特性主要取決于螺旋直徑D與波長(zhǎng)&lambda;的比值。當(dāng)D／λ<0．18時(shí)，天線最大輻射方向垂直于螺旋軸線，稱為法向模輻射或基模輻射，而當(dāng)3／4π<D／λ<4／3π時(shí)，最大輻射方向在螺旋軸線上，稱為軸向模輻射或一階模輻射。關(guān)于軸向模螺旋天線的研究較多，主要是在擴(kuò)展帶寬，增強(qiáng)方向性即提高增益，提高圓極化純度和小型化這幾個(gè)方面。文獻(xiàn)介紹了一種變升角和加繞寄生螺旋線軸向模螺旋天線，作者通過(guò)FEKO軟件對(duì)其輻射特性仿真，驗(yàn)證了該天線比普通螺旋天線方向性更好，圓錐形螺旋天線比普通螺旋天線頻帶更寬。文獻(xiàn)將變升角和加繞寄生螺旋線應(yīng)用到橢圓螺旋天線上。文獻(xiàn)中作者使用偶數(shù)個(gè)圓錐天線組合形成一個(gè)圓錐形天線，克服了圓錐螺旋方向性減弱的缺點(diǎn)，這其實(shí)就是文獻(xiàn)中提到的加繞寄生螺旋線方法。文獻(xiàn)著重研究了反射板的尺寸和形狀以及饋電方式與螺旋天線的方向性系數(shù)的關(guān)系。其結(jié)果表明，反射板直徑在0．8～1．2λ之間變化時(shí)，天線方向性系數(shù)隨反射板直徑的增大而增大，繼續(xù)增大反射板直徑，天線方向性系數(shù)無(wú)明顯變化，使反射板四周上翹成賦形，這比同尺寸的平板反射板螺旋天線方向性系數(shù)略高。單繞螺旋天線的方向性系數(shù)最小，寄生螺旋天線的方向性系數(shù)居中，雙繞螺旋天線的方向性系數(shù)最大。文獻(xiàn)中作者設(shè)計(jì)了一種圓極化GPS螺旋天線，并討論了天線反射板尺寸變化以及螺距角變化對(duì)天線性能帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)中作者提出了一種低剖面平面螺旋天線的設(shè)計(jì)方法，用金屬反射板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的λ／4反射腔來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋天線的單向輻射，并在螺旋末端接阻性負(fù)載，以克服反射器與螺旋面的間距過(guò)小帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)中作者設(shè)計(jì)并制作了一種小型化介質(zhì)加載四臂螺旋GPS天線，該天線采用高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)加載，體積大大縮小而性能基本保持不變。文獻(xiàn)介紹了一種小型化的短樁加載軸向模螺旋(SLH)天線，該天線性能與普通軸向模螺旋天線相近，體積僅為普通螺旋天線的1／3。文獻(xiàn)介紹了一種復(fù)合加載的背腔式平面螺旋天線。作者采用了蝶形天線過(guò)渡方式來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡區(qū)傳輸損耗的減小，傳輸段采取寬帶天線的加載方式，實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。對(duì)螺旋曲線的外圍幾圈采用鋸齒加載，這與文獻(xiàn)中短樁加載原理相同。為了實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)保密通信，根據(jù)要求本文設(shè)計(jì)了三種工作在5 GHz頻段性能良好的軸向模螺旋天線。

1 軸向模螺旋天線理論及設(shè)計(jì)
1．1 軸向模螺旋天線理論
    螺旋幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，用來(lái)描述螺旋參量的主要有：螺旋直徑D、螺旋鄰圈之間節(jié)距S、螺旋圈數(shù)n及螺旋導(dǎo)體直徑d。由這些參量推導(dǎo)的其他參量有螺旋周長(zhǎng)C=πD、螺旋升角α=arctan(S／(πD))、每圈的長(zhǎng)度、螺旋的軸長(zhǎng)A=nS。

    假設(shè)沿輻射軸向模的n圈螺旋天線導(dǎo)體上載有均勻幅度的單向行波，根據(jù)方向圖乘法原理，其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖等于單圈的方向圖乘上一列由n個(gè)各向同性點(diǎn)源組成直線陣的陣因子，陣元間距等于螺旋的節(jié)距。當(dāng)螺旋很長(zhǎng)(nS／λ>1)時(shí)，陣因子銳變遠(yuǎn)甚于單圈方向圖，因而長(zhǎng)螺旋的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖可近似取此點(diǎn)源陣方向圖。n個(gè)各向同性點(diǎn)源組成陣列的陣因子為：
   
    式(5)即為輻射軸向模所要求的圈長(zhǎng)與節(jié)距的關(guān)系，其中m為能使軸向輻射為最大傳輸模的階數(shù)。當(dāng)m=1時(shí)引入螺旋升角α的得到相對(duì)相速：
    p=1／[sinα+(cosα／Cλ)]     (6)
    如果使用增強(qiáng)定向性端射陣的Hansen＆Woodyard條件來(lái)配置點(diǎn)源相位，則式(4)變?yōu)椋?br />     φ=-(2πm+π／n)      (7)
    相對(duì)相速p變?yōu)椋?br />    
    John D．Kraus通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3／4<Cλ<4／3時(shí)螺旋的相對(duì)相速與式(6)，式(8)吻合較好，即滿足軸向輻射相對(duì)相速條件，其中與式(8)計(jì)算值更為接近。單圈螺旋天線方向圖近似為cosθ，利用單圈螺旋替代點(diǎn)源得到單繞軸向模螺旋天線歸一化方向圖為：
   
    對(duì)于3／4<Cλ<4／3，12°<螺旋升角α<15°和n>3單繞軸向模螺旋天線，John D．Kraus通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和研究得到了一些經(jīng)驗(yàn)公式，后來(lái)經(jīng)過(guò)H．E．King和J．L．Wong修正，得到半功率波束寬度HP、增益G、阻抗R和軸比AR，如下：
   
1．2 軸向模螺旋天線設(shè)計(jì)
    局域網(wǎng)通信天線設(shè)計(jì)要求：S11帶寬大于100 MHz，增益大于10 dB，半功率波束寬度小于30°，波束內(nèi)圓極化軸比小于-3 dB。繞制螺旋的導(dǎo)體直徑取值范圍從0．005λ或更小直至0．05λ或更大。5 GHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為60 mm，從而d的范圍為0．3 mm<d<3 mm。設(shè)計(jì)天線d為2 mm。增大螺旋圈數(shù)n，天線軸比將變小、波束變窄且增益提高，n暫取為6。軸向模螺旋要求3／4<Cλ<4／3，螺旋升角范圍α為2°～25°，但最佳范圍為12°～14°。從而計(jì)算出螺旋直徑D范圍：14．3 mm<D<25．5 mm，螺旋節(jié)距S范圍為：9．6 mm<S<19．9 mm。設(shè)計(jì)天線D和S分別為18 mm，15 mm。接地板要求邊長(zhǎng)或直徑至少為3λ／4的圓形或方形平板，而根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論接地板直徑宜取為1．2&lambda;。本文使用圓形平板作為地板，半徑設(shè)計(jì)為36 mm。使用同軸線對(duì)天線饋電。在此基礎(chǔ)上利用電磁軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)天線仿真計(jì)算，并對(duì)各尺寸進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，以協(xié)調(diào)各個(gè)指標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。天線模型圖如圖2所示。尺寸相仿加繞寄生螺旋天線及錐形加繞寄生螺旋天線分別如圖3，圖4所示。

2 天線仿真結(jié)果及分析
    經(jīng)過(guò)細(xì)致優(yōu)化仿真，得到普通螺旋的S11、方向圖、軸比分別如圖5～圖7所示。

    分別將三種天線S11、方向圖(φ=0°)、軸比(φ=0°)進(jìn)行了對(duì)比，如圖8～圖10所示。普通螺旋天線帶寬極寬，而寄生螺旋結(jié)構(gòu)限制了天線的帶寬，但在5 GHz頻帶上下都有超過(guò)100 MHz可用帶寬，錐形結(jié)構(gòu)相比普通結(jié)構(gòu)帶寬稍寬。對(duì)于方向圖，帶寄生結(jié)構(gòu)普通螺旋半功率波束寬度為25°，增益最高為11．52 dB。普通螺旋波束寬度也為25°，增益稍低為10．6 dB。帶寄生結(jié)構(gòu)錐形螺旋天線方向性較差，半功率波束約為寬度30°，增益為8．19 dB。而對(duì)于軸比，帶寄生結(jié)構(gòu)錐形螺旋天線性能最好，在φ=0°，θ<80°時(shí)小于3 dB。另外兩種天線在俯仰角θ<30°時(shí)軸比小于3 dB。仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式(11)～式(14)吻合較好?？梢詰?yīng)用到無(wú)線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中。

3 結(jié)語(yǔ)
    根據(jù)無(wú)線局域網(wǎng)通信天線設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了三種應(yīng)用在5 GHz頻段的軸向模螺旋天線。其中，普通螺旋天線帶寬極寬(3～5．6 GHz)，而加繞寄生螺旋天線增益較高，但帶寬相比要窄得多，但可以滿足大于100 MHz要求，帶寄生結(jié)構(gòu)錐形螺旋增益較低，但圓極化特性較好?？梢愿鶕?jù)更多的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。