小型化平面四臂槽螺旋天线

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                1  引言     

                        平面螺旋天线和平面槽螺旋天线最早是在上世纪六十年代提出来的。由于其具有宽波束，宽频带，圆极化等特性而被广泛地应用在GPS，PCS等领域。当用同轴线等非平衡传输线对平面螺旋天线馈电时需要巴伦来平衡电流，这样会增加天线的复杂性和体积。为了获得较好的轴比，通常在螺旋臂上加载负载电阻，但这样同时会降低天线的效率。
                         
                        本文对专利的平面四臂槽螺旋天线进行了改进，使用了一种口径耦合馈电结构，这样在馈电点就不需要外接巴伦了。陶瓷介质板具有相对较高的介电常数，能使天线小型化。在螺旋臂终端形成终端渐削结构，这样能在不降低增益的情况下获得较低的轴比。另外，本天线使用了一个薄金属背腔来实现单向辐射，增大天线增益。文中介绍了天线设计细节，并给出了天线的仿真与实测结果。
                         
                        2  天线设计

                        如图1所示，该天线包括一个平面陶瓷介质板和一个金属背腔。在馈电点天线通过一段四分之一波长阻抗变换线与馈电圆环匹配，这种方法可以使平面四臂槽螺旋天线很好地匹配到50欧姆。馈电圆环的周长为介质中1.561GHz工作频率所对应的工作波长，这样可以使四个相邻耦合槽之间相位差为90°。在馈电圆环的终端有一吸收电阻，用来吸收未辐射出去的能量。调节耦合开口槽的大小使耦合到开口槽的能量分别具有相同的幅度，这样平面四臂槽螺旋天线能够工作在一次模状态。天线螺旋臂为阿基米德螺旋，增长率为3.45(mm/radian),内径为18.8mm，外径45.8mm。槽螺旋臂的终端会对能量产生反射，反射的能量会以旋向相反的圆极化方式辐射出去，这样就会影响到天线的轴比。在螺旋臂的终端或者沿着螺旋臂增加负载电阻是吸收反射能量的一个有效方式，但这种方式会同时降低天线的增益。该天线使用一种终端渐削结构来减小轴比同时不会降低轴比和增加复杂性。在介质板的背面安放一金属背腔来实现天线的单向辐射，同时也会增大天线的增益。
                         
       

               

       

                图1  天线结构

       

               

       

                图2  天线实物图

                 
                        3  仿真和实测结构

                        天线加工实物如图2所示。陶瓷介质板相对介电常数为9.3，厚2mm，大小为100mmx100mm。本天线中背腔深度为λ/14，即14mm，远远小于λ/4，而天线的宽带特性仍然存在，这是因为槽的辐射源可以看成是磁流[7]。本文使用的仿真软件是Ansoft HFSS 10。图3为仿真和测试的天线VSWR，图中小插图为天线的仿真模型。天线测试结果也表明在1.561GHz处5°以上仰角轴比为（2-4）dB。
                         
       

               

       

                图3  仿真和测量VSWR

       

               

       

                图4  仿真和实测的1.561GHz处天线辐射方向图
                (a) (b)

                         
                        图4为仿真和实测的天线辐射方向图，可以看出仿真和实测结果吻合很好。谐振频率处天顶方向的增益大于6dB，5°以上仰角方向增益大于-4dB，测试结果比仿真结果略小是由天线的制作误差造成的。该天线与普通两臂槽螺旋天线（图5），无背腔四臂螺旋天线的归一化方向图比较如图6所示。可以很明显看到本文天线的低仰角性能较好，背腔改善了天线的前向辐射。
       

                 

       

               

       

                图5  平面两臂槽螺旋天线HFSS模型

       

               

       

                图6  1.561GHz处归一化方向图的比较 ()

       

                 

                        4  结论

                        本文提出了一种带背腔的陶瓷介质平面四臂槽螺旋天线。通过在天线中应用口径耦合结构，陶瓷介质板，螺旋臂终端渐削结构和一个薄的金属背腔，天线达到了小型化的效果。该天线5°以上仰角增益达到-4dB，说明其具有良好的低仰角性能。该天线适合于用作卫星定位导航系统的接收天线。