無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的軸向模螺旋天線(xiàn)設計方案

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3/4π

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：

　　式(5)即為輻射軸向模所要求的圈長(cháng)與節距的關(guān)系，其中m為能使軸向輻射為最大傳輸模的階數。當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?/p>

φ=-(2πm+π/n) (7)

相對相速p變?yōu)椋?br />
John D．Kraus通過(guò)大量實(shí)驗驗證了3/4　　

對于3/43單繞軸向模螺旋天線(xiàn)，John D．Kraus通過(guò)大量實(shí)驗和研究得到了一些經(jīng)驗公式，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(xiàn)設計

局域網(wǎng)通信天線(xiàn)設計要求：S11帶寬大于100 MHz，增益大于10 dB，半功率波束寬度小于30°，波束內圓極化軸比小于-3 dB。繞制螺旋的導體直徑取值范圍從0．005λ或更小直至0．05λ或更大。5 GHz對應波長(cháng)為60 mm，從而d的范圍為0．3 mm

2 天線(xiàn)仿真結果及分析

經(jīng)過(guò)細致優(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(xiàn)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(xiàn)帶寬極寬，而寄生螺旋結構限制了天線(xiàn)的帶寬，但在5 GHz頻帶上下都有超過(guò)100 MHz可用帶寬，錐形結構相比普通結構帶寬稍寬。對于方向圖，帶寄生結構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。帶寄生結構錐形螺旋天線(xiàn)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，帶寄生結構錐形螺旋天線(xiàn)性能最好，在φ=0°，θ80°時(shí)小于3 dB。另外兩種天線(xiàn)在俯仰角θ30°時(shí)軸比小于3 dB。仿真結果與經(jīng)驗公式(11)～式(14)吻合較好?？梢詰玫?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)">無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信系統中。

3 結語(yǔ)

根據無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信天線(xiàn)設計要求，設計了三種應用在5 GHz頻段的軸向模螺旋天線(xiàn)。其中，普通螺旋天線(xiàn)帶寬極寬(3～5．6 GHz)，而加繞寄生螺旋天線(xiàn)增益較高，但帶寬相比要窄得多，但可以滿(mǎn)足大于100 MHz要求，帶寄生結構錐形螺旋增益較低，但圓極化特性較好?？梢愿鶕嗟膽眯枨筮M(jìn)行選擇。