用于无线局域网的轴向模螺旋天线设计

摘要：根据无线局域网通信天线的要求，设计了三种工作在5 GHz频段性能良好的轴向模螺旋天线，其中一种为普通螺旋天线，第二种为加绕寄生螺旋天线，第三种为锥形加绕寄生螺旋天线。通过电磁仿真软件HFSS计算及对结果分析表明，加绕寄生螺旋将改善天线的轴向辐射特性，而锥形结构将扩展天线带宽。
关键词：局域网通信；轴向模；寄生螺旋；锥形螺旋

0 引言
    螺旋天线是一种宽带行波天线，辐射圆极化波。按结构来分有立体螺旋和平面螺旋两种。立体螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋直径D与波长&lambda;的比值。当D／λ<0．18时，天线最大辐射方向垂直于螺旋轴线，称为法向模辐射或基模辐射，而当3／4π<D／λ<4／3π时，最大辐射方向在螺旋轴线上，称为轴向模辐射或一阶模辐射。关于轴向模螺旋天线的研究较多，主要是在扩展带宽，增强方向性即提高增益，提高圆极化纯度和小型化这几个方面。文献介绍了一种变升角和加绕寄生螺旋线轴向模螺旋天线，作者通过FEKO软件对其辐射特性仿真，验证了该天线比普通螺旋天线方向性更好，圆锥形螺旋天线比普通螺旋天线频带更宽。文献将变升角和加绕寄生螺旋线应用到椭圆螺旋天线上。文献中作者使用偶数个圆锥天线组合形成一个圆锥形天线，克服了圆锥螺旋方向性减弱的缺点，这其实就是文献中提到的加绕寄生螺旋线方法。文献着重研究了反射板的尺寸和形状以及馈电方式与螺旋天线的方向性系数的关系。其结果表明，反射板直径在0．8～1．2λ之间变化时，天线方向性系数随反射板直径的增大而增大，继续增大反射板直径，天线方向性系数无明显变化，使反射板四周上翘成赋形，这比同尺寸的平板反射板螺旋天线方向性系数略高。单绕螺旋天线的方向性系数最小，寄生螺旋天线的方向性系数居中，双绕螺旋天线的方向性系数最大。文献中作者设计了一种圆极化GPS螺旋天线，并讨论了天线反射板尺寸变化以及螺距角变化对天线性能带来的影响。文献中作者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λ／4反射腔来实现螺旋天线的单向辐射，并在螺旋末端接阻性负载，以克服反射器与螺旋面的间距过小带来的影响。文献中作者设计并制作了一种小型化介质加载四臂螺旋GPS天线，该天线采用高介电常数的陶瓷介质加载，体积大大缩小而性能基本保持不变。文献介绍了一种小型化的短桩加载轴向模螺旋(SLH)天线，该天线性能与普通轴向模螺旋天线相近，体积仅为普通螺旋天线的1／3。文献介绍了一种复合加载的背腔式平面螺旋天线。作者采用了蝶形天线过渡方式来实现过渡区传输损耗的减小，传输段采取宽带天线的加载方式，实现宽频带的阻抗匹配。对螺旋曲线的外围几圈采用锯齿加载，这与文献中短桩加载原理相同。为了实现局域网点对点保密通信，根据要求本文设计了三种工作在5 GHz频段性能良好的轴向模螺旋天线。

1 轴向模螺旋天线理论及设计
1．1 轴向模螺旋天线理论
    螺旋几何结构如图1所示，用来描述螺旋参量的主要有：螺旋直径D、螺旋邻圈之间节距S、螺旋圈数n及螺旋导体直径d。由这些参量推导的其他参量有螺旋周长C=πD、螺旋升角α=arctan(S／(πD))、每圈的长度、螺旋的轴长A=nS。

    假设沿辐射轴向模的n圈螺旋天线导体上载有均匀幅度的单向行波，根据方向图乘法原理，其远场方向图等于单圈的方向图乘上一列由n个各向同性点源组成直线阵的阵因子，阵元间距等于螺旋的节距。当螺旋很长(nS／λ>1)时，阵因子锐变远甚于单圈方向图，因而长螺旋的远场方向图可近似取此点源阵方向图。n个各向同性点源组成阵列的阵因子为：
   
    式(5)即为辐射轴向模所要求的圈长与节距的关系，其中m为能使轴向辐射为最大传输模的阶数。当m=1时引入螺旋升角α的得到相对相速：
    p=1／[sinα+(cosα／Cλ)]     (6)
    如果使用增强定向性端射阵的Hansen＆Woodyard条件来配置点源相位，则式(4)变为：
    φ=-(2πm+π／n)      (7)
    相对相速p变为：
   
    John D．Kraus通过大量实验验证了3／4<Cλ<4／3时螺旋的相对相速与式(6)，式(8)吻合较好，即满足轴向辐射相对相速条件，其中与式(8)计算值更为接近。单圈螺旋天线方向图近似为cosθ，利用单圈螺旋替代点源得到单绕轴向模螺旋天线归一化方向图为：
   
    对于3／4<Cλ<4／3，12°<螺旋升角α<15°和n>3单绕轴向模螺旋天线，John D．Kraus通过大量实验和研究得到了一些经验公式，后来经过H．E．King和J．L．Wong修正，得到半功率波束宽度HP、增益G、阻抗R和轴比AR，如下：
   
1．2 轴向模螺旋天线设计
    局域网通信天线设计要求：S11带宽大于100 MHz，增益大于10 dB，半功率波束宽度小于30°，波束内圆极化轴比小于-3 dB。绕制螺旋的导体直径取值范围从0．005λ或更小直至0．05λ或更大。5 GHz对应波长为60 mm，从而d的范围为0．3 mm<d<3 mm。设计天线d为2 mm。增大螺旋圈数n，天线轴比将变小、波束变窄且增益提高，n暂取为6。轴向模螺旋要求3／4<Cλ<4／3，螺旋升角范围α为2°～25°，但最佳范围为12°～14°。从而计算出螺旋直径D范围：14．3 mm<D<25．5 mm，螺旋节距S范围为：9．6 mm<S<19．9 mm。设计天线D和S分别为18 mm，15 mm。接地板要求边长或直径至少为3λ／4的圆形或方形平板，而根据文献结论接地板直径宜取为1．2&lambda;。本文使用圆形平板作为地板，半径设计为36 mm。使用同轴线对天线馈电。在此基础上利用电磁软件HFSS对该结构天线仿真计算，并对各尺寸进行细致优化，以协调各个指标参数满足设计要求。天线模型图如图2所示。尺寸相仿加绕寄生螺旋天线及锥形加绕寄生螺旋天线分别如图3，图4所示。

2 天线仿真结果及分析
    经过细致优化仿真，得到普通螺旋的S11、方向图、轴比分别如图5～图7所示。

    分别将三种天线S11、方向图(φ=0°)、轴比(φ=0°)进行了对比，如图8～图10所示。普通螺旋天线带宽极宽，而寄生螺旋结构限制了天线的带宽，但在5 GHz频带上下都有超过100 MHz可用带宽，锥形结构相比普通结构带宽稍宽。对于方向图，带寄生结构普通螺旋半功率波束宽度为25°，增益最高为11．52 dB。普通螺旋波束宽度也为25°，增益稍低为10．6 dB。带寄生结构锥形螺旋天线方向性较差，半功率波束约为宽度30°，增益为8．19 dB。而对于轴比，带寄生结构锥形螺旋天线性能最好，在φ=0°，θ<80°时小于3 dB。另外两种天线在俯仰角θ<30°时轴比小于3 dB。仿真结果与经验公式(11)～式(14)吻合较好。可以应用到无线局域网通信系统中。

3 结语
    根据无线局域网通信天线设计要求，设计了三种应用在5 GHz频段的轴向模螺旋天线。其中，普通螺旋天线带宽极宽(3～5．6 GHz)，而加绕寄生螺旋天线增益较高，但带宽相比要窄得多，但可以满足大于100 MHz要求，带寄生结构锥形螺旋增益较低，但圆极化特性较好。可以根据更多的应用需求进行选择。