引言

平面螺旋天線和平面槽螺旋天線最早是在上世紀(jì)六十年代提出來的。由于其具有寬波束，寬頻帶，圓極化等特性而被廣泛地應(yīng)用在GPS，PCS等領(lǐng)域。當(dāng)用同軸線等非平衡傳輸線對平面螺旋天線饋電時需要巴倫來平衡電流，這樣會增加天線的復(fù)雜性和體積。為了獲得較好的軸比，通常在螺旋臂上加載負(fù)載電阻，但這樣同時會降低天線的效率。

本文對專利的平面四臂槽螺旋天線進(jìn)行了改進(jìn)，使用了一種口徑耦合饋電結(jié)構(gòu)，這樣在饋電點就不需要外接巴倫了。陶瓷介質(zhì)板具有相對較高的介電常數(shù)，能使天線小型化。在螺旋臂終端形成終端漸削結(jié)構(gòu)，這樣能在不降低增益的情況下獲得較低的軸比。另外，本天線使用了一個薄金屬背腔來實現(xiàn)單向輻射，增大天線增益。文中介紹了天線設(shè)計細(xì)節(jié)，并給出了天線的仿真與實測結(jié)果。

2 天線設(shè)計

如圖1所示，該天線包括一個平面陶瓷介質(zhì)板和一個金屬背腔。在饋電點天線通過一段四分之一波長阻抗變換線與饋電圓環(huán)匹配，這種方法可以使平面四臂槽螺旋天線很好地匹配到50歐姆。饋電圓環(huán)的周長為介質(zhì)中1.561GHz工作頻率所對應(yīng)的工作波長，這樣可以使四個相鄰耦合槽之間相位差為90°。在饋電圓環(huán)的終端有一吸收電阻，用來吸收未輻射出去的能量。調(diào)節(jié)耦合開口槽的大小使耦合到開口槽的能量分別具有相同的幅度，這樣平面四臂槽螺旋天線能夠工作在一次模狀態(tài)。天線螺旋臂為阿基米德螺旋，增長率為3.45(mm/radian),內(nèi)徑為18.8mm，外徑45.8mm。槽螺旋臂的終端會對能量產(chǎn)生反射，反射的能量會以旋向相反的圓極化方式輻射出去，這樣就會影響到天線的軸比。在螺旋臂的終端或者沿著螺旋臂增加負(fù)載電阻是吸收反射能量的一個有效方式，但這種方式會同時降低天線的增益。該天線使用一種終端漸削結(jié)構(gòu)來減小軸比同時不會降低軸比和增加復(fù)雜性。在介質(zhì)板的背面安放一金屬背腔來實現(xiàn)天線的單向輻射，同時也會增大天線的增益。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 天線實物圖 3 仿真和實測結(jié)構(gòu)

天線加工實物如圖2所示。陶瓷介質(zhì)板相對介電常數(shù)為9.3，厚2mm，大小為100mmx100mm。本天線中背腔深度為λ/14，即14mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于λ/4，而天線的寬帶特性仍然存在，這是因為槽的輻射源可以看成是磁流[7]。本文使用的仿真軟件是Ansoft HFSS 10。圖3為仿真和測試的天線VSWR，圖中小插圖為天線的仿真模型。天線測試結(jié)果也表明在1.561GHz處5°以上仰角軸比為(2-4)dB。

圖3 仿真和測量VSWR

圖4 仿真和實測的1.561GHz處天線輻射方向圖

(a)

(b)

圖4為仿真和實測的天線輻射方向圖，可以看出仿真和實測結(jié)果吻合很好。諧振頻率處天頂方向的增益大于6dB，5°以上仰角方向增益大于-4dB，測試結(jié)果比仿真結(jié)果略小是由天線的制作誤差造成的。該天線與普通兩臂槽螺旋天線(圖5)，無背腔四臂螺旋天線的歸一化方向圖比較如圖6所示?？梢院苊黠@看到本文天線的低仰角性能較好，背腔改善了天線的前向輻射。

圖5 平面兩臂槽螺旋天線HFSS模型

4 結(jié)論

本文提出了一種帶背腔的陶瓷介質(zhì)平面四臂槽螺旋天線。通過在天線中應(yīng)用口徑耦合結(jié)構(gòu)，陶瓷介質(zhì)板，螺旋臂終端漸削結(jié)構(gòu)和一個薄的金屬背腔，天線達(dá)到了小型化的效果。該天線5°以上仰角增益達(dá)到-4dB，說明其具有良好的低仰角性能。該天線適合于用作衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線。