一種寬帶螺旋天線的設(shè)計(jì)

朱珊虹，董衛(wèi)鵬，張琳江

(新鄉(xiāng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000)

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一種寬帶螺旋天線的設(shè)計(jì)

朱珊虹*，董衛(wèi)鵬，張琳江

(新鄉(xiāng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453000)

摘要:提出了一種寬帶螺旋平面天線的設(shè)計(jì)。采用共平面波導(dǎo)的方式繞成天線，該方法使得天線和饋電網(wǎng)絡(luò)在同一平面上，可以利用印刷電路板技術(shù)制作。通過軟件仿真和實(shí)際測試顯示:該天線具有良好的圓極化和寬頻帶特性，在頻段2.5 GHz～9 GHz上實(shí)測反射損耗小于－10 dB。該天線制作簡單、平面化面積小、具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:阿基米德螺旋天線;共平面波導(dǎo);寬帶天線;電磁仿真軟件

螺旋天線理論自上世紀(jì)40年代被提出來后，由于其超寬的頻帶、穩(wěn)定的增益和較低的軸比，得到了廣泛的應(yīng)用［1］。螺旋形天線本身為平面式的結(jié)構(gòu)，饋入方法為中心饋入，因此饋電網(wǎng)絡(luò)和天線本身無法達(dá)到全平面的要求，使得在一些需要平面化、小型化的通訊產(chǎn)品中無法應(yīng)用。因此有學(xué)者提出了外部饋入螺旋形天線的方法［2］，但是這些從外部饋入的方法都必須占用很大的面積。本文將螺旋形天線的其中一臂多繞半圈，這樣就能和另一臂形成雙線傳輸線，因此雙線傳輸線就有了定義明確的特性阻抗，能輕易的饋入且不需要占用太大的面積。

1　天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的螺旋形天線就是利用中間導(dǎo)體上升的共平面波導(dǎo)所繞制而成，如圖1所示。饋電網(wǎng)絡(luò)和天線本身在同一個(gè)平面，采用阿基米德形式，匝數(shù)為2.5圈，其公式為:

式中，r為天線半徑，a為螺線增加率，r0為螺線起點(diǎn)和圓心的距離。表1所示為天線的基本尺寸。天線最大半徑為33 mm，起始頻率可由式(2)進(jìn)行估算

式中，λmax為最大波長，γmax為最大半徑。不過此公式并未考慮基本參數(shù)，所以在研究此天線時(shí)，提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，fmin為起始頻率(MHz)，C為光速，εr為介質(zhì)常數(shù)，h為基板厚度，k為常數(shù)1.97。此天線在聚四氟乙烯FR4基板上，基板的介電常數(shù)為4.4，厚度0.8 mm，在2.1 GHz～9.0 GHz范圍內(nèi)損耗為0.015。天線實(shí)體如圖2所示:在其饋電網(wǎng)絡(luò)部分，中間導(dǎo)體上升的共平面波導(dǎo)線寬為0.5 mm，線間距為3 mm，特性阻抗為190 Ω，直接利用漸近的方式轉(zhuǎn)換為50 Ω的微帶傳輸線。

圖1　天線結(jié)構(gòu)圖

圖2　天線實(shí)物照片

表1　天線的基本尺寸

2　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在天線測試方面，實(shí)驗(yàn)儀器選用Agilent E8363型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、CST－1型自動(dòng)測試轉(zhuǎn)臺(tái)、XB－GH型標(biāo)準(zhǔn)增益天線、發(fā)射天線及待測天線。整個(gè)測試在微波暗室里進(jìn)行。

由式(2)計(jì)算出所設(shè)計(jì)的天線起始頻率為1.44 GHz。圖3所示為螺旋天線反射損耗仿真與實(shí)測損耗的對(duì)比圖。

圖3　駐波比特性

由圖3可以清楚的看到此天線的頻寬大約在2.5 GHz到9 GHz。與之對(duì)比，可見利用式(3)計(jì)算的起始頻率值，大約相差兩倍［3］。本文利用IE3D電磁仿真軟件計(jì)算出的電流密度分布如圖4(a)、4(b)所示。圖4(a)是利用式(3)算出起始頻率為1.44 GHz時(shí)的電流密度分布圖，從圖4可以看出電流在螺旋線里呈現(xiàn)駐波的型態(tài)，可以推斷出頻率在實(shí)際的起始頻率之下;反之圖4(b)為2.5 GHz時(shí)的電流密度分布圖，在電流由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的交接區(qū)，因此也能從電流密度分布圖來判斷天線的起始頻率。

圖4　天線的表面電流分布

圖5～圖7為軟件模擬與測量的輻射方向比較圖，可以看出仿真與測量在天線特性方面很接近。觀察在較低頻率(2.5 GHz)時(shí)，測量的輻射方向圖有橫向方向的偏離，偏離大概約5°，可能是測量時(shí)同軸電纜線造成的影響，所以輻射方向圖在垂直天線平面的方向是有最大值。在頻率逐漸增高時(shí)，天線輻射的最大值會(huì)漸漸的移往端射方向。這是因?yàn)樵诟哳l時(shí)，天線輻射靠近外圈，天線外圍半徑較大，而高頻時(shí)的波長較短，所以只有一部分輻射［4－6］，從圖6、圖7可看出在5.5 GHz時(shí)，輻射方向最大值大約在θ=30°，而到了7.5 GHz時(shí)輻射場型最大值移動(dòng)到了θ=70°，變成在天線平面的方向。因此一個(gè)由外部饋入的螺旋天線，其輸入阻抗是寬頻的，但是輻射遠(yuǎn)場則不是。

圖5　天線輻射方向圖——2.5 GHz E面

圖6　天線輻射方向圖——5 GHz E面

圖7　天線輻射方向圖——7.5 GHz E面

圖8為增益在=90°及θ=0°方向的仿真與測量比較圖，可以看出有良好的一致性，在高頻時(shí)增益會(huì)劇降的原因是在高頻時(shí)輻射方向最大值從橫向方向移至端射的方向，所以在橫向的增益會(huì)下降。圖9為天線在不同頻率下最大增益的模擬值，在高頻時(shí)增益約為4 dBi～5 dBi。圖10為天線在2.5 GHz時(shí)所量得的E-ver、E-para與E-total的輻射場型圖。

圖8　=90°，θ=0°方向增益的模擬值與測量值比較圖

圖9　天線在不同頻率下最大增益的模擬值

圖10　2.5 GHz時(shí)E-ver、E-para與E-total的測量圖

E-ver是指在無反射實(shí)驗(yàn)室里的標(biāo)準(zhǔn)喇叭型天線電場是垂直時(shí)所量的場型;而E-para則是水平時(shí)所量的場型，圖11為2.5 GHz及3.5 GHz時(shí)在橫向方向所模擬的軸比值，可以看到在2.5 GHz時(shí)θ在60°的軸比皆小于3 dB，而到了3.5 GHz時(shí)軸比則變大許多，所以再顯示出此天線是在S參數(shù)上為寬帶結(jié)構(gòu)，但是在圓極化率上大約只有1 GHz的頻寬。由圖知該天線在具有較好的圓極化輻射特性。

圖11　2.5 GHz及3.5 GHz時(shí)軸比特性圖

3　結(jié)論

一個(gè)由外部饋入的螺旋型天線，以取代制作較困難的中央饋入，此天線利用IE3D來模擬，并實(shí)際制作在FR4的基板上，測量的反射損耗在2.5 GHz～9 GHz皆在10 dB以上;增益在高頻時(shí)因?yàn)閳鲂推?，所以再橫向方向增益會(huì)下降，輻射場型與增益的模擬值跟測量值有良好的一致性。而在圓極化率方面，在2.5 GHz時(shí)(軸比特性)Axial ratio在－60°～60°皆小于3 dB。

參考文獻(xiàn):

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朱珊虹(1982－)，女，漢族，武漢大學(xué)在讀博士，新鄉(xiāng)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室主任，研究方向?yàn)槎嗝襟w技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)，新媒體技術(shù)與傳播，zshazhu@163.com;

張淋江(1975－)，男，漢族，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Design of an Antenna Operating at 915 MHz Used in Wireless Data Collection Systems*

CHEN Qiong1*，YANG Jie1，WANG Shanjin1，F(xiàn)ING Jun2
(1.School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan Guangdong 523808，China; 2.Institute of Computer Science，Dongguan University of Technology，Donguan Guangdong 523808，China)

Abstract:A printed dipole antenna operating at 915 MHz is proposed.The antenna is fed by a microstrip to coplanar stripline Balun to achieve broadband operation and balanced feed in the band.The impedance bandwidth determined from a 10 dB return loss is found to be about 22%，with the bandwidth 830 MHz to 1 030 MHz.The antenna has excellent performance of S11＜－50 dB at 915 MHz.The antenna has characteristics of simple structure，and is easy to be integrated.It can be used in wireless data collection systems.

Key words:coplanar stripline; printed dipole antenna; Balun; microstrip

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.006

收稿日期:2014－08－04修改日期:2014－09－21

中圖分類號(hào):TN823.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0742－04