引言
平面螺旋天線和平面槽螺旋天線最早是在上世紀(jì)六十年代提出來(lái)的。由于其具有寬波束，寬頻帶，圓極化等特性而被廣泛地應(yīng)用在GPS，PCS等領(lǐng)域。當(dāng)用同軸線等非平衡傳輸線對(duì)平面螺旋天線饋電時(shí)需要巴倫來(lái)平衡電流，這樣會(huì)增加天線的復(fù)雜性和體積。為了獲得較好的軸比，通常在螺旋臂上加載負(fù)載電阻，但這樣同時(shí)會(huì)降低天線的效率。
本文對(duì)專利的平面四臂槽螺旋天線進(jìn)行了改進(jìn)，使用了一種口徑耦合饋電結(jié)構(gòu)，這樣在饋電點(diǎn)就不需要外接巴倫了。陶瓷介質(zhì)板具有相對(duì)較高的介電常數(shù)，能使天線小型化。在螺旋臂終端形成終端漸削結(jié)構(gòu)，這樣能在不降低增益的情況下獲得較低的軸比。另外，本天線使用了一個(gè)薄金屬背腔來(lái)實(shí)現(xiàn)單向輻射，增大天線增益。文中介紹了天線設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并給出了天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。
2 天線設(shè)計(jì)
如圖1所示，該天線包括一個(gè)平面陶瓷介質(zhì)板和一個(gè)金屬背腔。在饋電點(diǎn)天線通過(guò)一段四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線與饋電圓環(huán)匹配，這種方法可以使平面四臂槽螺旋天線很好地匹配到50歐姆。饋電圓環(huán)的周長(zhǎng)為介質(zhì)中1.561GHz工作頻率所對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)，這樣可以使四個(gè)相鄰耦合槽之間相位差為90°。在饋電圓環(huán)的終端有一吸收電阻，用來(lái)吸收未輻射出去的能量。調(diào)節(jié)耦合開口槽的大小使耦合到開口槽的能量分別具有相同的幅度，這樣平面四臂槽螺旋天線能夠工作在一次模狀態(tài)。天線螺旋臂為阿基米德螺旋，增長(zhǎng)率為3.45(mm/radian),內(nèi)徑為18.8mm，外徑45.8mm。槽螺旋臂的終端會(huì)對(duì)能量產(chǎn)生反射，反射的能量會(huì)以旋向相反的圓極化方式輻射出去，這樣就會(huì)影響到天線的軸比。在螺旋臂的終端或者沿著螺旋臂增加負(fù)載電阻是吸收反射能量的一個(gè)有效方式，但這種方式會(huì)同時(shí)降低天線的增益。該天線使用一種終端漸削結(jié)構(gòu)來(lái)減小軸比同時(shí)不會(huì)降低軸比和增加復(fù)雜性。在介質(zhì)板的背面安放一金屬背腔來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的單向輻射，同時(shí)也會(huì)增大天線的增益。
圖1 天線結(jié)構(gòu)
圖2 天線實(shí)物圖 3 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)
天線加工實(shí)物如圖2所示。陶瓷介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)為9.3，厚2mm，大小為100mmx100mm。本天線中背腔深度為λ/14，即14mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ/4，而天線的寬帶特性仍然存在，這是因?yàn)椴鄣妮椛湓纯梢钥闯墒谴帕鱗7]。本文使用的仿真軟件是Ansoft HFSS 10。圖3為仿真和測(cè)試的天線VSWR，圖中小插圖為天線的仿真模型。天線測(cè)試結(jié)果也表明在1.561GHz處5°以上仰角軸比為(2-4)dB。
圖3 仿真和測(cè)量VSWR
圖4 仿真和實(shí)測(cè)的1.561GHz處天線輻射方向圖
(a)
(b)
圖4為仿真和實(shí)測(cè)的天線輻射方向圖，可以看出仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好。諧振頻率處天頂方向的增益大于6dB，5°以上仰角方向增益大于-4dB，測(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果略小是由天線的制作誤差造成的。該天線與普通兩臂槽螺旋天線(圖5)，無(wú)背腔四臂螺旋天線的歸一化方向圖比較如圖6所示?？梢院苊黠@看到本文天線的低仰角性能較好，背腔改善了天線的前向輻射。
圖5 平面兩臂槽螺旋天線HFSS模型
4 結(jié)論
本文提出了一種帶背腔的陶瓷介質(zhì)平面四臂槽螺旋天線。通過(guò)在天線中應(yīng)用口徑耦合結(jié)構(gòu)，陶瓷介質(zhì)板，螺旋臂終端漸削結(jié)構(gòu)和一個(gè)薄的金屬背腔，天線達(dá)到了小型化的效果。該天線5°以上仰角增益達(dá)到-4dB，說(shuō)明其具有良好的低仰角性能。該天線適合于用作衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線。
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