林 鎮(zhèn)，袁家德

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

圓極化天線因?yàn)槠淞己玫目苟鄰礁蓴_、 “法拉第旋轉(zhuǎn)”效應(yīng)和極化失配等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)(GPS)的移動(dòng)終端設(shè)備中. 四臂螺旋天線不僅擁有良好的圓極化性能，其均勻的心形輻射方向圖和高前后比等特性也具有突出的優(yōu)勢(shì)，更適用于GPS應(yīng)用.

傳統(tǒng)螺旋天線的饋電網(wǎng)絡(luò)[2]由三個(gè)威爾金森功分器級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)功分器的輸出端口具有相同的輸出功率，通過(guò)相鄰端口的微帶線長(zhǎng)度差提供圓極化所需的順序相位. 但繁雜的微帶線不僅增加了饋電網(wǎng)絡(luò)的面積，而且引入了更多的損耗, 因此不利于集成在便攜式終端設(shè)備中. 近年來(lái), 研究者們提出了多種改進(jìn)方案來(lái)縮小四臂螺旋天線饋電網(wǎng)絡(luò)的面積. 文[3]采用新型微帶巴倫結(jié)構(gòu)，通過(guò)減少集總元件的使用來(lái)縮小饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸. 文[4-5]提出的共面威爾金森功分器充分提高了接地面的利用率，從而縮小接地的面積. 文[6]提出的饋電網(wǎng)絡(luò)采用孔徑耦合微帶轉(zhuǎn)換的方法，在不增加接地面積的情況下提高了天線的帶寬性能. 此外，螺旋臂也是決定天線整體尺寸的重要因素，但過(guò)于緊湊的螺旋臂結(jié)構(gòu)會(huì)大幅影響天線的輻射效率和增益. 文[7]設(shè)計(jì)的正弦曲線螺旋臂將傳統(tǒng)的螺旋軸向長(zhǎng)度縮短了50%，文[8-9]通過(guò)加載高介電常數(shù)的介質(zhì)材料減小螺旋臂的長(zhǎng)度，但增益普遍偏低. 上述技術(shù)可以在一定程度上減小天線的尺寸，但這是以犧牲天線效率或增益為代價(jià)的，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜. 本研究提出一種小型化四臂螺旋天線，將精簡(jiǎn)的饋電結(jié)構(gòu)[10]與類似于PIFA的彎折型螺旋臂相結(jié)合，使天線在小型化的基礎(chǔ)上具有較高的增益.

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

圖1 螺旋天線立體圖Fig.1 Stereoscopic picture of spiral antenna

小型化四臂螺旋天線的立體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由四個(gè)順序旋轉(zhuǎn)的螺旋臂和一個(gè)緊湊的一分四正交饋電網(wǎng)絡(luò)組成，天線的總體尺寸為20 mm × 20 mm × 21 mm(0.10λ0× 0.10λ0× 0.11λ0)，螺旋臂印制在厚度為0.06 mm的柔性板(εr=1.1)的外表面上，底板由兩塊高度為0.80 mm的FR4板(εr=4.4)堆疊而成，采用同軸饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)分別位于接地面上層和下層.

1.1 螺旋臂設(shè)計(jì)

螺旋臂設(shè)計(jì)的演變過(guò)程如圖2所示. 天線Ⅰ的螺旋臂為四個(gè)單極子，天線Ⅱ?qū)⒙菪圻M(jìn)行彎折，加強(qiáng)了相鄰螺旋臂之間的耦合，使諧振頻率向低頻偏移，天線Ⅲ在天線Ⅱ的基礎(chǔ)上添加了短路枝節(jié)，通過(guò)調(diào)整枝節(jié)與饋電的間距有效改善了天線的阻抗匹配. 天線設(shè)計(jì)過(guò)程中三條天線的反射系數(shù)|S11|如圖3所示. 從圖中可見(jiàn)，螺旋臂在斜率α和螺旋直徑l6不變的情況下，天線Ⅰ和天線Ⅱ的阻抗匹配效果較差，天線Ⅲ通過(guò)引入短路枝節(jié)調(diào)整螺旋臂的電流分布阻抗，適當(dāng)調(diào)整短路枝節(jié)的位置可以改善天線在工作頻段內(nèi)的輸入阻抗，天線Ⅲ螺旋臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的具體尺寸如表1所示.

圖2 螺旋臂設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.2 Design process of the spiral arm

圖3 天線Ⅰ、 天線Ⅱ、 天線Ⅲ對(duì)應(yīng)的|S11| Fig.3 | S11| corresponding to antenna Ⅰ，antenna Ⅱ and antenna Ⅲ

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Feed network

兩個(gè)完全對(duì)稱的90°相位延遲線分別印制在饋電網(wǎng)絡(luò)接地面的上層和下層，同層雙端口之間采用四分之三圓環(huán)形微帶線(長(zhǎng)度約為λg/4)進(jìn)行連接，最大程度地利用了空間，如圖4所示. 同軸線內(nèi)外芯穿過(guò)接地面中間的通孔分別接至上層和下層的延遲線，實(shí)現(xiàn)了上下層之間穩(wěn)定的180°相位差. 因此饋電網(wǎng)絡(luò)各端口之間的阻抗值應(yīng)滿足:

Z1=Zin/2；Z2=Z3=Z4=2Z1

(1)

由于同軸線輸入阻抗，故Z1=25 Ω，Z2=Z3=Z4=50 Ω，根據(jù)阻抗計(jì)算公式可計(jì)算出各微帶線阻抗對(duì)應(yīng)的初始線寬，再通過(guò)仿真軟件優(yōu)化后的結(jié)果如表1所示.

饋電網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的回波損耗和相位如圖5所示. 圖5(a)中，天線在GPS頻帶范圍內(nèi)的回波損耗|S11|均低于 -25 dB，在頻點(diǎn)1.575 GHz處，各端口之間的插入損耗約為6.2 dB(一分四網(wǎng)絡(luò)插入損耗理論值是6.0 dB). 圖5(b)中各端口的相位差為(90±1)°，仿真結(jié)果表明該饋電網(wǎng)絡(luò)滿足圓極化所需的條件.

圖5 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真情況Fig.5 Feed network simulation

1.3 參數(shù)分析

圖6 l3的變化對(duì)頻點(diǎn)的影響Fig.6 Effect of l3 variation on |S11|

螺旋臂長(zhǎng)是影響天線尺寸的重要因素，旋臂長(zhǎng)度對(duì)天線端口反射系數(shù)|S11|的影響如圖6所示. 從圖6可見(jiàn)，隨著l3值的變大，螺旋天線的頻點(diǎn)向低頻偏移, 原因是螺旋臂諧振于四分之一波長(zhǎng)模式，故螺旋臂長(zhǎng)增加會(huì)導(dǎo)致諧振點(diǎn)偏低頻. 通過(guò)仿真得出l3最優(yōu)值為14.50 mm, 此時(shí)天線中心頻點(diǎn)為1.575 GHz.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表1中的仿真優(yōu)化尺寸，制作了天線實(shí)物，如圖7所示. 用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了天線|S11|參數(shù)，在微波暗室中測(cè)試了天線軸比和增益方向圖，天線仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖8、 圖9所示. 從圖8可見(jiàn)，實(shí)測(cè)的|S11|≤-10 dB，阻抗帶寬實(shí)測(cè)為2.9%(1.555～1.600 GHz).

圖9(a)、 (b)分別給出了天線在l1(1.575 GHz)時(shí)xoz面、yoz面增益方向圖. 從圖中可見(jiàn)，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，天線測(cè)試增益為4.15 dBi，具有良好的定向輻射特性. 仿真和測(cè)試結(jié)果間的誤差主要來(lái)源于FR4材料損耗、 測(cè)試誤差以及焊接制作公差.

所設(shè)計(jì)的天線與其它螺旋天線的性能對(duì)比如表 2所示，其中λ0為衛(wèi)星導(dǎo)航天線對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng). 從表中數(shù)據(jù)可以看出，所提出的天線具有緊湊的尺寸和更高的頂點(diǎn)增益.

圖7 天線實(shí)物圖Fig.7 Physical view of the antenna

圖8 天線仿真和測(cè)試|S11|對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of antenna simulation and test |S11|

圖9 天線在1.575 GHz測(cè)試和仿真的增益方向Fig.9 Measured and simulated radiation patterns at 1.575 GHz

表2 各天線的性能對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一款用于全球定位系統(tǒng)終端的小型化四臂螺旋天線. 該天線采用共地的環(huán)狀微帶延遲線作為饋電網(wǎng)絡(luò)，彎折型PIFA結(jié)構(gòu)作為螺旋臂進(jìn)行輻射. 天線擁有良好的定向輻射特性，在保持較高增益的基礎(chǔ)上大幅縮小了傳統(tǒng)螺旋天線的尺寸，適用于GPS的小型終端設(shè)備中.