徐挺威，謝擁軍*，李炎紅，許 昭，田 超

1.天線與微波技術國家重點實驗室西安電子科技大學， 西安710071；

2.電子科技大學電子工程學院， 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用于移動通信，GPS等領域。然而，傳統的印刷四臂螺旋天線一般只有5%～8%的帶寬，遠不能滿足要求[1-5]。國內外學者提出了一些輻射單元和饋電網絡的改進技術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電橋對天線進行饋電，能實現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絡，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10 %(VSWR＜1.3)，但是沒有提到軸比帶寬。文獻[13]把該設計應用于Ku波段的印刷四臂螺旋天線當中得到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構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板上成卷錐形狀。饋電網絡由3個T型微帶線網絡組成，使四臂的饋電相位依次相差90°。饋電網絡通過采用柱面共形結構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。測試與仿真結果吻合良好。

1 天線及饋電網絡的設計

(1)天線設計

印刷角錐螺旋天線在柔性介質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°。當臂長為1/4 波長的奇數倍時，臂的另一端開路，而臂長為1/4波長的偶數倍時，另一端短路。天線螺旋臂的直角坐標方程如下[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， L為臂長。

印刷角錐四臂螺旋天線平面結構如圖1所示。各參數可以由方程(組5)得出：

圖1 印刷四臂螺旋天線平面結構

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

表1 天線設計參數

(2)饋電網絡設計

天線饋電網絡采用3個T型微帶網絡形式，其傳輸線模型如下。

圖2 饋電網絡傳輸線模型圖

我們使用傳輸線理論對饋電網絡進行分析。假設四個負載的阻抗均為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1/4波長阻抗變換傳輸線匹配原理，其特性阻抗為：

當四個負載為四條螺旋臂時，四條螺旋臂可以獲得等幅饋電。通過調整各節(jié)微帶線的長度，可以使四個螺旋臂之間相位依次相差90°，從而實現右旋圓極化。饋電網絡平面結構如圖3所示，其中介質薄片的長度W為179 mm，寬度H為20 mm。

圖3 饋電網絡平面結構圖

(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。饋電網絡和螺旋臂印刷在介電常數為3.4，厚度0.16 mm的柔性介質板上，饋電網絡直接安裝在天線的下面。使用柱面共形饋電網絡可以有效減小安裝地板面積。由于在HFSS軟件當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，在剖分網格時會容易出現錯誤。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 仿真及測試結果

在饋電網絡的制作當中，饋電微帶線在介質內表面，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的仿真結果為1.3 GHz～1.92 GHz，測試結果為1.25 ～1.87 GHz，測試結果與仿真結果吻合良好。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的波束寬度達到150°，波束寬度內軸比小于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°。結果顯示，印刷角錐四臂螺旋天線在頻帶內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 結論

本文提出了一種新型印刷角錐四臂螺旋天線，設計并制作了天線實物。該天線實現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)星通訊系統等領域。

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