摘要：根據(jù)無線局域網(wǎng)通信天線的要求，設計了三種工作在5 GHz頻段性能良好的軸向模螺旋天線，其中一種為普通螺旋天線，第二種為加繞寄生螺旋天線，第三種為錐形加繞寄生螺旋天線。通過電磁仿真軟件HFSS計算及對結果分析表明，加繞寄生螺旋將改善天線的軸向輻射特性，而錐形結構將擴展天線帶寬。
關鍵詞：局域網(wǎng)通信；軸向模；寄生螺旋；錐形螺旋

0 引言
    螺旋天線是一種寬帶行波天線，輻射圓極化波。按結構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&lambda;的比值。當D／λ<0．18時，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3／4π<D／λ<4／3π時，最大輻射方向在螺旋軸線上，稱為軸向模輻射或一階模輻射。關于軸向模螺旋天線的研究較多，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方面。文獻介紹了一種變升角和加繞寄生螺旋線軸向模螺旋天線，作者通過FEKO軟件對其輻射特性仿真，驗證了該天線比普通螺旋天線方向性更好，圓錐形螺旋天線比普通螺旋天線頻帶更寬。文獻將變升角和加繞寄生螺旋線應用到橢圓螺旋天線上。文獻中作者使用偶數(shù)個圓錐天線組合形成一個圓錐形天線，克服了圓錐螺旋方向性減弱的缺點，這其實就是文獻中提到的加繞寄生螺旋線方法。文獻著重研究了反射板的尺寸和形狀以及饋電方式與螺旋天線的方向性系數(shù)的關系。其結果表明，反射板直徑在0．8～1．2λ之間變化時，天線方向性系數(shù)隨反射板直徑的增大而增大，繼續(xù)增大反射板直徑，天線方向性系數(shù)無明顯變化，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方向性系數(shù)略高。單繞螺旋天線的方向性系數(shù)最小，寄生螺旋天線的方向性系數(shù)居中，雙繞螺旋天線的方向性系數(shù)最大。文獻中作者設計了一種圓極化GPS螺旋天線，并討論了天線反射板尺寸變化以及螺距角變化對天線性能帶來的影響。文獻中作者提出了一種低剖面平面螺旋天線的設計方法，用金屬反射板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的λ／4反射腔來實現(xiàn)螺旋天線的單向輻射，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小帶來的影響。文獻中作者設計并制作了一種小型化介質加載四臂螺旋GPS天線，該天線采用高介電常數(shù)的陶瓷介質加載，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，該天線性能與普通軸向模螺旋天線相近，體積僅為普通螺旋天線的1／3。文獻介紹了一種復合加載的背腔式平面螺旋天線。作者采用了蝶形天線過渡方式來實現(xiàn)過渡區(qū)傳輸損耗的減小，傳輸段采取寬帶天線的加載方式，實現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。對螺旋曲線的外圍幾圈采用鋸齒加載，這與文獻中短樁加載原理相同。為了實現(xiàn)局域網(wǎng)點對點保密通信，根據(jù)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。

1 軸向模螺旋天線理論及設計
1．1 軸向模螺旋天線理論
    螺旋幾何結構如圖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及螺旋導體直徑d。由這些參量推導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。

    假設沿輻射軸向模的n圈螺旋天線導體上載有均勻幅度的單向行波，根據(jù)方向圖乘法原理，其遠場方向圖等于單圈的方向圖乘上一列由n個各向同性點源組成直線陣的陣因子，陣元間距等于螺旋的節(jié)距。當螺旋很長(nS／λ>1)時，陣因子銳變遠甚于單圈方向圖，因而長螺旋的遠場方向圖可近似取此點源陣方向圖。n個各向同性點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)距的關系，其中m為能使軸向輻射為最大傳輸模的階數(shù)。當m=1時引入螺旋升角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條件來配置點源相位，則式(4)變?yōu)椋?br />     φ=-(2πm+π／n)      (7)
    相對相速p變?yōu)椋?br />    
    John D．Kraus通過大量實驗驗證了3／4<Cλ<4／3時螺旋的相對相速與式(6)，式(8)吻合較好，即滿足軸向輻射相對相速條件，其中與式(8)計算值更為接近。單圈螺旋天線方向圖近似為cosθ，利用單圈螺旋替代點源得到單繞軸向模螺旋天線歸一化方向圖為：
   
    對于3／4<Cλ<4／3，12°<螺旋升角α<15°和n>3單繞軸向模螺旋天線，John D．Kraus通過大量實驗和研究得到了一些經(jīng)驗公式，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 軸向模螺旋天線設計
    局域網(wǎng)通信天線設計要求：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(nèi)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對應波長為60 mm，從而d的范圍為0．3 mm<d<3 mm。設計天線d為2 mm。增大螺旋圈數(shù)n，天線軸比將變小、波束變窄且增益提高，n暫取為6。軸向模螺旋要求3／4<Cλ<4／3，螺旋升角范圍α為2°～25°，但最佳范圍為12°～14°。從而計算出螺旋直徑D范圍：14．3 mm<D<25．5 mm，螺旋節(jié)距S范圍為：9．6 mm<S<19．9 mm。設計天線D和S分別為18 mm，15 mm。接地板要求邊長或直徑至少為3λ／4的圓形或方形平板，而根據(jù)文獻結論接地板直徑宜取為1．2&lambda;。本文使用圓形平板作為地板，半徑設計為36 mm。使用同軸線對天線饋電。在此基礎上利用電磁軟件HFSS對該結構天線仿真計算，并對各尺寸進行細致優(yōu)化，以協(xié)調(diào)各個指標參數(shù)滿足設計要求。天線模型圖如圖2所示。尺寸相仿加繞寄生螺旋天線及錐形加繞寄生螺旋天線分別如圖3，圖4所示。

2 天線仿真結果及分析
    經(jīng)過細致優(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S11、方向圖(φ=0°)、軸比(φ=0°)進行了對比，如圖8～圖10所示。普通螺旋天線帶寬極寬，而寄生螺旋結構限制了天線的帶寬，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性能最好，在φ=0°，θ<80°時小于3 dB。另外兩種天線在俯仰角θ<30°時軸比小于3 dB。仿真結果與經(jīng)驗公式(11)～式(14)吻合較好?？梢詰玫綗o線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中。

3 結語
    根據(jù)無線局域網(wǎng)通信天線設計要求，設計了三種應用在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，帶寄生結構錐形螺旋增益較低，但圓極化特性較好?？梢愿鶕?jù)更多的應用需求進行選擇。