無線局域網中的軸向模螺旋天線設計方案

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λ的比值。當D/λ0．18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

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距的關系，其中m為能使軸向輻射為最大傳輸模的階數。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)變為：

φ=-(2πm+π/n) (7)

相對相速p變為：

John D．Kraus通過大量實驗驗證了3/4　　

對于3/43單繞軸向模螺旋天線，John D．Kraus通過大量實驗和研究得到了一些經驗公式，后來經過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

2 天線仿真結果及分析

經過細致優化仿真，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°，θ80°時小于3 dB。另外兩種天線在俯仰角θ30°時軸比小于3 dB。仿真結果與經驗公式(11)～式(14)吻合較好。可以應用到無線局域網通信系統中。

3 結語

根據無線局域網通信天線設計要求，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。可以根據更多的應用需求進行選擇。