無線局域網(wǎng)中5 GHz頻段的軸向模螺旋天線設(shè)計(jì)方案

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λ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

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C=πD、螺旋升角α=arctan（S/（πD））、每圈的長度、螺旋的軸長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（nS/λ》1）時(shí)，陣因子銳變遠(yuǎn)甚于單圈方向圖，因而長螺旋的遠(yuǎn)場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條件來配置點(diǎn)源相位，則式（4）變?yōu)椋?/p>

φ=-（2πm+π/n） （7）

相對相速p變?yōu)椋?/p>

John D．Kraus通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3/4

對于3/43單繞軸向模螺旋天線，John D．Kraus通過大量實(shí)驗(yàn)和研究得到了一些經(jīng)驗(yàn)公式，后來經(jīng)過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對應(yīng)波長為60 mm，從而d的范圍為0．3 mm

2 天線仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過細(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)用到無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中。

3 結(jié)語

根據(jù)無線局域網(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。