一種帶有新型饋電結(jié)構(gòu)的寬帶印刷角錐四臂螺旋天線

徐挺威，謝擁軍*，李炎紅，許 昭，田 超

1.天線與微波技術(shù)國家重點實驗室西安電子科技大學(xué)， 西安710071；

2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院， 成都610054

近年來，印刷四臂螺旋天線由于其低損耗，重量輕以及良好的圓極化特性而廣泛的應(yīng)用于移動通信，GPS等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的印刷四臂螺旋天線一般只有5%～8%的帶寬，遠(yuǎn)不能滿足要求[1-5]。國內(nèi)外學(xué)者提出了一些輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的改進技術(shù)來展寬印刷四臂螺旋天線帶寬。文獻[1， 6]通過使用逐漸變窄的螺旋臂以及同時改變臂寬和螺旋升角來增加阻抗帶寬，但是沒有提到軸比帶寬。文獻[7]提出折疊形印刷四臂螺旋天線，用一條短路寄生臂與輻射臂相連，其阻抗帶寬可達(dá)到30%(VSWR＜2)。文獻[8]首次提出了錐形印刷四臂螺旋天線，使用3個3 dB電橋?qū)μ炀€進行饋電，能實現(xiàn)32.4 %的阻抗帶寬(S11＜-10 dB)以及18.5%的3 dB軸比帶寬。文獻[9]采用較小螺旋升角的圓柱形印刷四臂螺旋，并采用3個威爾金森功分器進行饋電，駐波小于1.5的頻率范圍為2 GHz～2.8 GHz， 3 dB軸比帶寬約為27.9%。文獻[10]提出了采用3 dB電橋饋電的錐型印刷四臂螺旋天線，駐波比在1.5以下的頻率范圍為1.47 ～1.6 GHz。文獻[11]提出了一種是采用縫隙耦合饋電的四臂螺旋天線，其阻抗帶寬從1.27到1.64 GHz，帶內(nèi)軸比小于3.3 dB。但是上述天線都需要一個較大的地板來支撐饋電網(wǎng)絡(luò)，從而增大天線的安裝空間。文獻[12]提出了一種使用柱面共形3 dB電橋饋電的印刷四臂螺旋天線，可以減少地板的安裝空間，其帶寬可達(dá)10 %(VSWR＜1.3)，但是沒有提到軸比帶寬。文獻[13]把該設(shè)計應(yīng)用于Ku波段的印刷四臂螺旋天線當(dāng)中得到10%的阻抗帶寬(S11＜-10 dB)但是同樣沒有提到軸比帶寬。

本文提出一種新型饋電結(jié)構(gòu)的印刷四臂螺旋天線。該天線的四條螺旋臂印刷在很薄的柔性介質(zhì)板上成卷錐形狀。饋電網(wǎng)絡(luò)由3個T型微帶線網(wǎng)絡(luò)組成，使四臂的饋電相位依次相差90°。饋電網(wǎng)絡(luò)通過采用柱面共形結(jié)構(gòu)可以極大地減少天線地板尺寸的同時獲得比文獻[12， 13]更寬的阻抗帶寬。該天線具有寬波束以及很好的圓極化特性，在工作頻率為1.575 GHz時具有150°的半功率波瓣寬度以及39.7 %的阻抗帶寬和22 %的軸比帶寬。測試與仿真結(jié)果吻合良好。

1 天線及饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

(1)天線設(shè)計

印刷角錐螺旋天線在柔性介質(zhì)上鍍四條金屬螺旋臂。在螺旋臂的一端饋電，饋電電流幅度相等，相位依次相差90°。當(dāng)臂長為1/4 波長的奇數(shù)倍時，臂的另一端開路，而臂長為1/4波長的偶數(shù)倍時，另一端短路。天線螺旋臂的直角坐標(biāo)方程如下[8]：

其中， r0為錐形底面起始半徑， Δd為半徑每圈的減少量， p為螺距， N為圈數(shù)， L為臂長。

印刷角錐四臂螺旋天線平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。各參數(shù)可以由方程(組5)得出：

圖1 印刷四臂螺旋天線平面結(jié)構(gòu)

依照上述理論設(shè)計制作了工作頻率為1.575 GHz的印刷角錐四臂螺旋天線。天線的設(shè)計參數(shù)值如表1所示。

表1 天線設(shè)計參數(shù)

(2)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

天線饋電網(wǎng)絡(luò)采用3個T型微帶網(wǎng)絡(luò)形式，其傳輸線模型如下。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸線模型圖

我們使用傳輸線理論對饋電網(wǎng)絡(luò)進行分析。假設(shè)四個負(fù)載的阻抗均為50歐姆，傳輸線為無耗傳輸線，各段傳輸線的電長度分別為θ1至θ6。無耗傳輸線的[A]矩陣為：

其中， Z0為傳輸線特性阻抗， θ為傳輸線電長度。

根據(jù)傳輸線理論，參考面A-A′的輸入阻抗為：

同理，參考面B-B′， C-C′， D-D′的輸入阻抗為：

而參考面E-E′的輸入阻抗為：

同理，參考面F-F′的輸入阻抗為：

同樣我們根據(jù)傳輸線理論計算參考面G-G′， H-H′的輸入阻抗，得：

則圖中所示參考面I-I′輸入阻抗為：

為了使其與特性阻抗為50 Ω的饋電端口匹配，我們使用四分之一波長傳輸線進行阻抗變換。根據(jù)1/4波長阻抗變換傳輸線匹配原理，其特性阻抗為：

當(dāng)四個負(fù)載為四條螺旋臂時，四條螺旋臂可以獲得等幅饋電。通過調(diào)整各節(jié)微帶線的長度，可以使四個螺旋臂之間相位依次相差90°，從而實現(xiàn)右旋圓極化。饋電網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中介質(zhì)薄片的長度W為179 mm，寬度H為20 mm。

圖3 饋電網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)圖

(3)仿真建模

我們使用Ansoft HFSS 11.0 軟件進行建模仿真，模型如圖4 所示。饋電網(wǎng)絡(luò)和螺旋臂印刷在介電常數(shù)為3.4，厚度0.16 mm的柔性介質(zhì)板上，饋電網(wǎng)絡(luò)直接安裝在天線的下面。使用柱面共形饋電網(wǎng)絡(luò)可以有效減小安裝地板面積。由于在HFSS軟件當(dāng)中圓柱及圓臺等均使用多邊棱柱擬合，如果直接使用圓柱和圓臺模型涂覆上金屬片，在剖分網(wǎng)格時會容易出現(xiàn)錯誤。為了避免錯誤，在仿真時我們采用24邊棱柱擬合圓柱和圓臺。

圖4 印刷角錐四臂螺旋天線HFSS模型圖

2 仿真及測試結(jié)果

在饋電網(wǎng)絡(luò)的制作當(dāng)中，饋電微帶線在介質(zhì)內(nèi)表面，通過鍍金屬的過孔連通螺旋臂，而地板在外表面。其回波損耗和軸比帶寬仿真及實測結(jié)果如圖5及圖6所示。

圖5 S11曲線

圖6 軸比帶寬曲線

從圖5可以看到，天線回波損耗小于-10 dB的仿真結(jié)果為1.3 GHz～1.92 GHz，測試結(jié)果為1.25 ～1.87 GHz，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。3 dB軸比帶寬為1.3 GHz～1.65 GHz。天線輻射方向圖的頻率特性如圖7至圖8所示。

圖7 1.575 GHz輻射方向圖

圖8 1.575 GHz軸比圖

從圖7及圖8可以看出，工作頻率為1.575 GHz的波束寬度達(dá)到150°，波束寬度內(nèi)軸比小于3 dB，交叉極化小于-17 dB。該天線具有很好的寬波束圓極化特性。

圖9及圖10分別顯示了在1.35 GHz、1.65 GHz的方向圖。兩個頻點上半功率波瓣寬度分別為140°和160°。結(jié)果顯示，印刷角錐四臂螺旋天線在頻帶內(nèi)擁有良好的寬波束特性。

圖9 1.35 GHz輻射方向圖

圖10 1.65 GHz輻射方向圖

圖7、圖9及圖10顯示在1.35 GHz、1.575 GHz、1.65 GHz三個頻點的最大增益分別為1.3 dB， 2 dB和0.9 dB。 15°仰角處的增益分別有-1.8 dB、-0.3 dB、-1.4 dB。天線在上半球面(15°仰角以上區(qū)域)增益變化小于3.5 dB，使天線能有效接收到各個方向的衛(wèi)星信號。在接近地面的低仰角增益急劇下降，從而可以很好的抑制地面附近的噪聲和干擾。最終天線實物制作如圖11所示。

圖11 印刷角錐四臂螺旋天線實物圖

3 結(jié)論

本文提出了一種新型印刷角錐四臂螺旋天線，設(shè)計并制作了天線實物。該天線實現(xiàn)減少安裝空間的同時很好的改善了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬。天線的阻抗帶寬和軸比帶寬達(dá)到620 MHz和350 MHz。該天線具有良好的右旋圓極化增益及寬波束特性，適合用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域。

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