第5卷 第1期 2008年02月 装备环境工程EQU IP MENT ENV I RONMENT AL ENGI N EER I N G法向模螺旋天线分析与设计索莹,邱景辉,袁业术,杨彩田(哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院,哈尔滨150001)摘要:首先对法向模螺旋天线进行了理论分析,然后针对无线局域网(WLAN )的应用,设计了一种满足移动终端2.4GHz 工作频率要求的法向模螺旋天线。
为实现展宽频带、阻抗匹配等要求,对该移动终端天线进行了优化设计。
并且使用CST MW S 电磁场仿真软件对所设计的天线进行仿真计算。
仿真结果显示该天线具有50MHz 的工作带宽,水平增益在1.54d B 左右。
关键词:螺旋天线;法向模;阻抗匹配中图分类号:T N82 文献标识码:A文章编号:1672-9242(2008)01-0081-03收稿日期:2007-11-25作者简介:索莹(1982-)女,河南郑州人,博士研究生,主要从事微波毫米波天线技术研究。
A n a lys is a n d D e s ign of N o rm a l M od e H e lica l A n te n n aSUO Ying,Q I U J ing 2hui,YUAN Ye 2su,YAN G Cai 2tian(Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )A b s t ra c t:The nor mal mode helical antennas were analyzed theoretically .According t o the app licati on of the wireless l ocal areanet w ork,a kind of 2.4GHz nor malmode helical antenna was designed .The antenna was op ti m ized in order t o wide band width and i m 2pedance matching .And the antenna is si m ulated and op ti m ized by CSTMW S si m ulati on s oft w are .The results showed that the antenna can get 50MHz band width and 1.54d B horizontal gain .K e y w o rd s:helical antenna;nor mal mode;i m pedance match 随着现代通信事业飞速发展,无线局域网(WLAN )的应用日益广泛,接收天线作为WLAN 中的重要组成部分,其性能直接影响WLAN 的性能。
各种移动终端的体积越来越小,WLAN 移动终端设备也不能例外。
这使得天线小型化技术备受关注。
目前小型化移动终端天线常用的有螺旋天线、平面倒F 天线等[1]。
螺旋天线是一类常用的移动终端天线,其小型化的主要技术之一是使用法向模螺旋天线。
法向模螺旋天线(又称为基模螺旋天线),指的是螺旋直径与波长相比很小的一种圆柱螺旋天线,可使天线的高度降至同一频率工作的单极天线高度的1/3甚至更短。
合理地选择结构参数可使法向模螺旋天线成为一种高效率的辐射器[2],其具有电尺寸小、质量轻、与单极子天线的电磁辐射特性相近等优点[3]。
1 法向模螺旋天线结构近年来,一些学者对法向模螺旋天线的快速计算,以及用其实现小型化的可行性进行了验证研究[4]。
典型螺旋天线为圆柱形螺旋天线,使用金属导线(或金属管带)绕制成螺旋形结构的行波天线。
·18·装备环境工程 2008年02月通常使用同轴线馈电,图1给出了圆柱形螺旋天线结构示意及其几何参数:D 为螺旋直径;S 为螺距;α为螺距角;L 为1圈的平均周长;N 为圈数;l 为天线轴长;a 为螺旋线半径。
图1 螺旋天线基本结构Fig .1 The basic structure of the helical antenna各几何参数之间存在如下关系:L 2=(πD )2+S2(1)C =πD(2)S =C ·tgα(3)l =N S(4)螺旋天线的辐射特性主要取决于螺旋直径与波长的比值。
当比值小于0.18时,称为法向模螺旋天线,与法向辐射的单极子天线相比,可有效降低天线的高度,实现天线的小型化,但在缩短了天线尺寸的同时,其带宽也明显变窄。
法向模螺旋天线的缺点之一是输入阻抗比较低,为了与常见50Ω、75Ω同轴线匹配,常需要进行匹配改进。
馈电通常可采用图2所述3种方式。
图2a 是介入匹配网络馈电,图2b是选择合适接入点的并联馈电,图2c 是采用可变短路段和并馈相结合的方式,可变宽调谐的频率范围[5]。
由于小型化设计的要求,在设计中应重点考虑匹配网络的实现。
图2 同轴馈电匹配方法Fig .2 The match method of coaxial feed在实际应用中,小型化天线的地板不可能做得很大,其微小的变化必然引起天线电性能的整体变化。
首先可以假定天线地板半径为4mm ,根据天线的技术指标、结构要求以及螺旋加工工艺综合考虑,首先要保证在法向有最大辐射。
选择螺旋直径为5mm ,天线高度S 取3mm ,螺旋线半径为0.6mm ,同轴线介质相对介电常数为2.4。
为实现与50Ω同轴馈电线的匹配,设计了一个同轴变换的地板结构。
上半部分地板内径选择0.72mm ,使得其特性阻抗不到10Ω,从而实现2.4GHz 的谐振频率;下半部分地板内径选择2.2mm ,实现与50Ω同轴馈电线的匹配。
2 法向模螺旋天线仿真分析根据上节法向模螺旋天线结构参数的分析,可以确定其天线结构模型(如图3所示)。
这种结构既实现了螺旋天线的谐振,又满足了输入阻抗匹配要求。
图3 螺旋天线模型Fig .3 The helical antenna model螺旋天线结构参数确定后,使用CST MW S 电磁场仿真软件进行仿真[7]。
通过仿真参数分析,可得如图4所示的仿真结果:其中心频率为2.4GHz,图4 反射系数随频率变化的仿真结果Fig .4 Si m ulati on results of return l oss versus frequency·28·第5卷 第1期 索莹等:法向模螺旋天线分析与设计在2.375～2.425GHz 的频带范围内反射损耗小于-10d B 。
其输入阻抗为53.92Ω,达到了与50Ω同轴线匹配的目的。
图5为仿真方向图结果。
由图5可见天线最大图5 辐射方向仿真结果Fig .5 Si m ulati on result of radiati on pattern辐射方向为其法线方向,且为全向辐射,辐射效率为0.9368,增益为1.541d B 。
与文献[6]中设计的结果相比,增益提高了3.5dB ,并且辐射方向满足要求。
如图6所示,由于法向模自身的特点,极化方式为线极化,轴比约为-16dB。
图6 轴比仿真结果Fig .6 Si m ulati on result of axial rati o3 结语基于天线小型化设计考虑,对法向模螺旋天线进行研究分析,设计了一种工作在2.4GHz 工作频率的法向模螺旋天线。
通过地板结构的变化,解决了法向模螺旋天线输入阻抗小的缺点。
仿真结果表明,该天线具有50MHz 的工作带宽,1.54dB 的水平增益。
各项指标达到预期的要求,可以满足WLAN 移动终端的要求。
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