用于无线局域网的轴向模螺旋天线设计

1．2 轴向模螺旋天线设计
局域网通信天线设计要求：S11带宽大于100 MHz，增益大于10 dB，半功率波束宽度小于30°，波束内圆极化轴比小于-3 dB。绕制螺旋的导体直径取值范围从0．005λ或更小直至0．05λ或更大。5 GHz对应波长为60 mm，从而d的范围为0．3 mm<d<3 mm。设计天线d为2 mm。增大螺旋圈数n，天线轴比将变小、波束变窄且增益提高，n暂取为6。轴向模螺旋要求3／4<Cλ<4／3，螺旋升角范围α为2°～25°，但最佳范围为12°～14°。从而计算出螺旋直径D范围：14．3 mm<D<25．5 mm，螺旋节距S范围为：9．6 mm<S<19．9 mm。设计天线D和S分别为18 mm，15 mm。接地板要求边长或直径至少为3λ／4的圆形或方形平板，而根据文献结论接地板直径宜取为1．2λ。本文使用圆形平板作为地板，半径设计为36 mm。使用同轴线对天线馈电。在此基础上利用电磁软件HFSS对该结构天线仿真计算，并对各尺寸进行细致优化，以协调各个指标参数满足设计要求。天线模型图如图2所示。尺寸相仿加绕寄生螺旋天线及锥形加绕寄生螺旋天线分别如图3，图4所示。

2 天线仿真结果及分析
经过细致优化仿真，得到普通螺旋的S11、方向图、轴比分别如图5～图7所示。

分别将三种天线S11、方向图(φ=0°)、轴比(φ=0°)进行了对比，如图8～图10所示。普通螺旋天线带宽极宽，而寄生螺旋结构限制了天线的带宽，但在5 GHz频带上下都有超过100 MHz可用带宽，锥形结构相比普通结构带宽稍宽。对于方向图，带寄生结构普通螺旋半功率波束宽度为25°，增益最高为11．52 dB。普通螺旋波束宽度也为25°，增益稍低为10．6 dB。带寄生结构锥形螺旋天线方向性较差，半功率波束约为宽度30°，增益为8．19 dB。而对于轴比，带寄生结构锥形螺旋天线性能最好，在φ=0°，θ<80°时小于3 dB。另外两种天线在俯仰角θ<30°时轴比小于3 dB。仿真结果与经验公式(11)～式(14)吻合较好。可以应用到无线局域网通信系统中。

3 结语
根据无线局域网通信天线设计要求，设计了三种应用在5 GHz频段的轴向模螺旋天线。其中，普通螺旋天线带宽极宽(3～5．6 GHz)，而加绕寄生螺旋天线增益较高，但带宽相比要窄得多，但可以满足大于100 MHz要求，带寄生结构锥形螺旋增益较低，但圆极化特性较好。可以根据更多的应用需求进行选择。