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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)，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(dòng)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(guó)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(jìn)技術(shù)來(lái)展寬印刷四臂螺旋天線帶寬。文獻(xiàn)[1， 6]通過(guò)使用逐漸變窄的螺旋臂以及同時(shí)改變臂寬和螺旋升角來(lái)增加阻抗帶寬，但是沒(méi)有提到軸比帶寬。文獻(xiàn)[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(xiàn)[8]首次提出了錐形印刷四臂螺旋天線，使用3個(gè)3 dB電橋?qū)μ炀€進(jìn)行饋電，能實(shí)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(xiàn)[9]采用較小螺旋升角的圓柱形印刷四臂螺旋，并采用3個(gè)威爾金森功分器進(jìn)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(xiàn)[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(xiàn)[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(gè)較大的地板來(lái)支撐饋電網(wǎng)絡(luò)，從而增大天線的安裝空間。文獻(xiàn)[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(méi)有提到軸比帶寬。文獻(xiàn)[13]把該設(shè)計(jì)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(méi)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(gè)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(guò)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(shí)獲得比文獻(xiàn)[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(shí)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(cè)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(jì)

(1)天線設(shè)計(jì)

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(zhǎng)為1/4 波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，臂的另一端開(kāi)路，而臂長(zhǎng)為1/4波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，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(zhǎng)。

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(jì)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(jì)參數(shù)值如表1所示。

表1 天線設(shè)計(jì)參數(shù)

(2)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

天線饋電網(wǎng)絡(luò)采用3個(gè)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(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。假設(shè)四個(gè)負(fù)載的阻抗均為50歐姆，傳輸線為無(wú)耗傳輸線，各段傳輸線的電長(zhǎng)度分別為θ1至θ6。無(wú)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)傳輸線進(jìn)行阻抗變換。根據(jù)1/4波長(zhǎng)阻抗變換傳輸線匹配原理，其特性阻抗為：

當(dāng)四個(gè)負(fù)載為四條螺旋臂時(shí)，四條螺旋臂可以獲得等幅饋電。通過(guò)調(diào)整各節(jié)微帶線的長(zhǎng)度，可以使四個(gè)螺旋臂之間相位依次相差90°，從而實(shí)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(zhǎng)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(jìn)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(tái)等均使用多邊棱柱擬合，如果直接使用圓柱和圓臺(tái)模型涂覆上金屬片，在剖分網(wǎng)格時(shí)會(huì)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了避免錯(cuò)誤，在仿真時(shí)我們采用24邊棱柱擬合圓柱和圓臺(tái)。

圖4 印刷角錐四臂螺旋天線HFSS模型圖

2 仿真及測(cè)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(guò)鍍金屬的過(guò)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(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果為1.25 ～1.87 GHz，測(cè)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(gè)頻點(diǎn)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(gè)頻點(diǎn)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(gè)方向的衛(wèi)星信號(hào)。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(shí)物制作如圖11所示。

圖11 印刷角錐四臂螺旋天線實(shí)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(jì)并制作了天線實(shí)物。該天線實(shí)現(xiàn)減少安裝空間的同時(shí)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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