用于无线局域网的轴向模螺旋天线设计

摘要：根据无线局域网通信天线的要求，设计了三种工作在5 GHz频段性能良好的轴向模螺旋天线，其中一种为普通螺旋天线，第二种为加绕寄生螺旋天线，第三种为锥形加绕寄生螺旋天线。通过电磁仿真软件HFSS计算及对结果分析表明，加绕寄生螺旋将改善天线的轴向辐射特性，而锥形结构将扩展天线带宽。
关键词：局域网通信；轴向模；寄生螺旋；锥形螺旋

0 引言
    螺旋天线是一种宽带行波天线，辐射圆极化波。按结构来分有立体螺旋和平面螺旋两种。立体螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋直径D与波长λ的比值。当D／λ<0．18时，天线最大辐射方向垂直于螺旋轴线，称为法向模辐射或基模辐射，而当3／4π
1 轴向模螺旋天线理论及设计
1．1 轴向模螺旋天线理论
    螺旋几何结构如图1所示，用来描述螺旋参量的主要有：螺旋直径D、螺旋邻圈之间节距S、螺旋圈数n及螺旋导体直径d。由这些参量推导的其他参量有螺旋周长C=πD、螺旋升角α=arctan(S／(πD))、每圈的长度

、螺旋的轴长A=nS。

    假设沿辐射轴向模的n圈螺旋天线导体上载有均匀幅度的单向行波，根据方向图乘法原理，其远场方向图等于单圈的方向图乘上一列由n个各向同性点源组成直线阵的阵因子，阵元间距等于螺旋的节距。当螺旋很长(nS／λ>1)时，阵因子锐变远甚于单圈方向图，因而长螺旋的远场方向图可近似取此点源阵方向图。n个各向同性点源组成阵列的阵因子为：
   

    式(5)即为辐射轴向模所要求的圈长与节距的关系，其中m为能使轴向辐射为最大传输模的阶数。当m=1时引入螺旋升角α的得到相对相速：
    p=1／[sinα+(cosα／Cλ)]     (6)
    如果使用增强定向性端射阵的Hansen＆Woodyard条件来配置点源相位，则式(4)变为：
    φ=-(2πm+π／n)      (7)
    相对相速p变为：
   

    John D．Kraus通过大量实验验证了3／4    

    对于3／43单绕轴向模螺旋天线，John D．Kraus通过大量实验和研究得到了一些经验公式，后来经过H．E．King和J．L．Wong修正，得到半功率波束宽度HP、增益G、阻抗R和轴比AR，如下：
   

1．2 轴向模螺旋天线设计
    局域网通信天线设计要求：S11带宽大于100 MHz，增益大于10 dB，半功率波束宽度小于30°，波束内圆极化轴比小于-3 dB。绕制螺旋的导体直径取值范围从0．005λ或更小直至0．05λ或更大。5 GHz对应波长为60 mm，从而d的范围为0．3 mm

2 天线仿真结果及分析
    经过细致优化仿真，得到普通螺旋的S11、方向图、轴比分别如图5～图7所示。

    分别将三种天线S11、方向图(φ=0°)、轴比(φ=0°)进行了对比，如图8～图10所示。普通螺旋天线带宽极宽，而寄生螺旋结构限制了天线的带宽，但在5 GHz频带上下都有超过100 MHz可用带宽，锥形结构相比普通结构带宽稍宽。对于方向图，带寄生结构普通螺旋半功率波束宽度为25°，增益最高为11．52 dB。普通螺旋波束宽度也为25°，增益稍低为10．6 dB。带寄生结构锥形螺旋天线方向性较差，半功率波束约为宽度30°，增益为8．19 dB。而对于轴比，带寄生结构锥形螺旋天线性能最好，在φ=0°，θ<80°时小于3 dB。另外两种天线在俯仰角θ<30°时轴比小于3 dB。仿真结果与经验公式(11)～式(14)吻合较好。可以应用到无线局域网通信系统中。

3 结语
    根据无线局域网通信天线设计要求，设计了三种应用在5 GHz频段的轴向模螺旋天线。其中，普通螺旋天线带宽极宽(3～5．6 GHz)，而加绕寄生螺旋天线增益较高，但带宽相比要窄得多，但可以满足大于100 MHz要求，带寄生结构锥形螺旋增益较低，但圆极化特性较好。可以根据更多的应用需求进行选择。