用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的軸向模螺旋天線(xiàn)設計

摘要：根據無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信天線(xiàn)的要求，設計了三種工作在5 GHz頻段性能良好的軸向模螺旋天線(xiàn)，其中一種為普通螺旋天線(xiàn)，第二種為加繞寄生螺旋天線(xiàn)，第三種為錐形加繞寄生螺旋天線(xiàn)。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS計算及對結果分析表明，加繞寄生螺旋將改善天線(xiàn)的軸向輻射特性，而錐形結構將擴展天線(xiàn)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(xiàn)是一種寬帶行波天線(xiàn)，輻射圓極化波。按結構來(lái)分有立體螺旋和平面螺旋兩種。立體螺旋天線(xiàn)的輻射特性主要取決于螺旋直徑D與波長(cháng)λ的比值。當D／λ0．18時(shí)，天線(xiàn)最大輻射方向垂直于螺旋軸線(xiàn)，稱(chēng)為法向模輻射或基模輻射，而當3／4πD／λ4／3π時(shí)，最大輻射方向在螺旋軸線(xiàn)上，稱(chēng)為軸向模輻射或一階模輻射。關(guān)于軸向模螺旋天線(xiàn)的研究較多，主要是在擴展帶寬，增強方向性即提高增益，提高圓極化純度和小型化這幾個(gè)方面。文獻介紹了一種變升角和加繞寄生螺旋線(xiàn)軸向模螺旋天線(xiàn)，作者通過(guò)FEKO軟件對其輻射特性仿真，驗證了該天線(xiàn)比普通螺旋天線(xiàn)方向性更好，圓錐形螺旋天線(xiàn)比普通螺旋天線(xiàn)頻帶更寬。文獻將變升角和加繞寄生螺旋線(xiàn)應用到橢圓螺旋天線(xiàn)上。文獻中作者使用偶數個(gè)圓錐天線(xiàn)組合形成一個(gè)圓錐形天線(xiàn)，克服了圓錐螺旋方向性減弱的缺點(diǎn)，這其實(shí)就是文獻中提到的加繞寄生螺旋線(xiàn)方法。文獻著(zhù)重研究了反射板的尺寸和形狀以及饋電方式與螺旋天線(xiàn)的方向性系數的關(guān)系。其結果表明，反射板直徑在0．8～1．2λ之間變化時(shí)，天線(xiàn)方向性系數隨反射板直徑的增大而增大，繼續增大反射板直徑，天線(xiàn)方向性系數無(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(xiàn)方向性系數略高。單繞螺旋天線(xiàn)的方向性系數最小，寄生螺旋天線(xiàn)的方向性系數居中，雙繞螺旋天線(xiàn)的方向性系數最大。文獻中作者設計了一種圓極化GPS螺旋天線(xiàn)，并討論了天線(xiàn)反射板尺寸變化以及螺距角變化對天線(xiàn)性能帶來(lái)的影響。文獻中作者提出了一種低剖面平面螺旋天線(xiàn)的設計方法，用金屬反射板代替傳統的λ／4反射腔來(lái)實(shí)現螺旋天線(xiàn)的單向輻射，并在螺旋末端接阻性負載，以克服反射器與螺旋面的間距過(guò)小帶來(lái)的影響。文獻中作者設計并制作了一種小型化介質(zhì)加載四臂螺旋GPS天線(xiàn)，該天線(xiàn)采用高介電常數的陶瓷介質(zhì)加載，體積大大縮小而性能基本保持不變。文獻介紹了一種小型化的短樁加載軸向模螺旋(SLH)天線(xiàn)，該天線(xiàn)性能與普通軸向模螺旋天線(xiàn)相近，體積僅為普通螺旋天線(xiàn)的1／3。文獻介紹了一種復合加載的背腔式平面螺旋天線(xiàn)。作者采用了蝶形天線(xiàn)過(guò)渡方式來(lái)實(shí)現過(guò)渡區傳輸損耗的減小，傳輸段采取寬帶天線(xiàn)的加載方式，實(shí)現寬頻帶的阻抗匹配。對螺旋曲線(xiàn)的外圍幾圈采用鋸齒加載，這與文獻中短樁加載原理相同。為了實(shí)現局域網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)保密通信，根據要求本文設計了三種工作在5 GHz頻段性能良好的軸向模螺旋天線(xiàn)。

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

假設沿輻射軸向模的n圈螺旋天線(xiàn)導體上載有均勻幅度的單向行波，根據方向圖乘法原理，其遠場(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(xiàn)陣的陣因子，陣元間距等于螺旋的節距。當螺旋很長(cháng)(nS／λ>1)時(shí)，陣因子銳變遠甚于單圈方向圖，因而長(cháng)螺旋的遠場(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：