CN101174732B - 宽频带背射螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频带背射螺旋天线，包括馈电组件(1)、初级辐射器和反射腔，馈电组件(1)由连接柱(11)、过渡馈电介质(12)、变换馈电介质(13)、馈电外导体(14)、馈电内导体(15)、电缆(16)和电连接器(17)顺次连接组成；初级辐射器由金属螺旋线(5)绕在螺旋线介质支撑(4)上形成；反射腔包括反射体托盘(2)和反射腔体(3)。变换馈电介质(13)内填充介质为空气，反射腔为赋形反射腔。本发明的天线可以将带宽展宽，使相对带宽达到30％以上，且该天线结构简单，具有良好的一致性。同时采用了背射螺旋和赋形反射腔相结合的技术提高了天线的口径利用率，使天线的增益达到10dB以上。

Description

宽频带背射螺旋天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域的天线技术，特别是一种对宽频带特性和圆极化特性要求较高的天线。
背景技术
以振子或者交叉振子作为初级辐射器的背射天线有相关的文献报道，这类天线一般由初级辐射器和圆柱形反射腔两部分组成，圆柱形反射腔将初级辐射器背射的电磁波转换为高增益前向辐射的电磁波。但是这类天线有三个缺点：一是天线带宽比较窄，一般相对带宽约为10％，这是因为背射天线的带宽是由初级辐射器的带宽决定的，而振子或者交叉振子本身的带宽比较窄，这无法满足现代通信容量对于天线带宽的要求；二是天线圆极化特性很难能在宽频带范围内能得到满足，只在较窄的频带范围内具有较好的圆极化轴比，在宽频带范围内圆极化轴比变差，甚至大于3dB，交叉极化分量急剧增大，也无法满足现代通信对于天线圆极化特性的要求，因为现代数字通信的先进高效调制方式对圆极化天线的轴比和交叉极化有严格的要求；三是背射天线一般采用圆柱形反射腔，但这种常规的反射腔体无法保证天线在给定口径尺寸下天线增益最大。
经专利检索，与本发明专利内容密切相关的具体如下：专利号：ZL93222793.7的“一种高性能短背射天线”，公开的背射天线由初级辐射器和圆柱形反射腔两部分组成，圆柱形反射腔将初级辐射器背射的电磁波转换为高增益前向辐射的电磁波，但只是频带较窄，并非圆极化工作，而是线极化工作。线极化天线在高速动态载体上使用会产生较大的信号衰落。专利号：ZL96108158.9的“圆极化背射天线”，由初级辐射器和圆柱形反射腔两部分组成，圆柱形反射腔将初级辐射器背射的电磁波转换为高增益前向辐射的电磁波，该背射天线采用螺旋天线作为初级辐射器，天线为圆极化，但是属于窄频带天线，可分别用于UHF、L、S、C、X等频段，且该天线采用标准圆柱形反射腔，无法使天线增益最大，最小增益仅为2.0dB；文中未提及圆极化轴比的情况。
经非专利文献检索，与本发明专利内容密切相关的具体如下：文献“AMicrostrip Patch-Fed Short Backfire Antenna for the Tracking and Data RelaySatellite System-Continuation(TDRSS-C)Multiple Access(MA)Array，”(IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，09-14July，2006，pp521-524)描述了一种采用微带贴片天线作为初级辐射器的背射天线，由于微带贴片天线本身频带较窄，所以该背射天线频带较窄，且该背射天线为线极化工作。文献“Development of a wide-band short backfire antennaexcited by an unbalance-fed H-shaped slot”(IEEE Transactions on Antennasand Propagation，Vol.53，no.2，Feb.2005，pp662_671)描述了一种采用H型缝隙作为初级辐射器的背射天线，该天线为线极化工作。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种相对带宽大于30％，宽频带范围内圆极化轴比小于1.5dB的天线。本发明进一步要解决的问题是，在上述带宽和圆极化轴比的基础上，提高天线的最小增益。
本发明的技术解决方案是：宽频带背射螺旋天线，包括馈电组件、初级辐射器和反射腔。馈电组件由连接柱、过渡馈电介质、变换馈电介质、馈电外导体、馈电内导体、电缆、电连接器顺次连接组成，形成一段具有阻抗变换的宽带匹配传输线；初级辐射器由金属螺旋线绕在螺旋线介质支撑上形成；反射腔包括反射体托盘和反射腔体；螺旋线介质支撑固定连接在反射体托盘中心，馈电组件连接在反射体托盘上，馈电内导体通过连接柱与螺旋线的下端连接。
所述变换馈电介质内填充的介质为空气。
所述反射腔体为赋形反射腔体，形状为反射腔体边缘轮廓线围绕螺旋天线轴线旋转360度。赋形反射腔体边缘轮廓线与水平地面的夹角为10～20度。
本发明的宽频带背射螺旋天线工作原理为：螺旋初级辐射器产生背向辐射模式方向图(因为螺旋天线有三种辐射模式，背向辐射是其中一种)，背向辐射的电磁能量投射到赋形反射腔上之后，通过反射腔以更集中的方式(即相对于初级辐射器更高的增益)前向辐射。
馈电组件的功能是完成同轴电缆与螺旋天线之间的阻抗变换和连接，由于同轴电缆的特性阻抗一般为50欧姆，而螺旋天线的输入阻抗为一个复数值，两者只有在匹配的条件下才能在宽频带内进行电磁能量传输。该馈电组件将螺旋天线的复数输入阻抗先通过连接柱和过渡段同轴传输线转换为另外一个复数阻抗，该复数阻抗通过空气填充的同轴阻抗变换段变换为实数阻抗，且为50欧姆，与同轴电缆实现匹配。
采用空气填充的阻抗变换馈电组件，由于空气相对于其他介质在很宽的频带范围内保持电性能不变，故而宽频带特性很好。
由于螺旋线初级辐射器背向辐射的电磁能量是非均匀的，如果采用标准的圆柱型反射腔必然不能使反射能量最大，即反射效率最佳；如果将反射腔赋形，使得非均匀反射能量与非平面底部的反射腔相关，使反射能量最大，即反射效率最佳，则天线增益最大。
另外，通过调节并选取合适的赋形反射腔体边缘轮廓线与水平地面的夹角，更有利于电磁波的传播。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、由于采用新的馈电组件形式，同时采用空气填充的阻抗变换馈电组件，本发明的天线可以将带宽大大展宽，使相对带宽达到30％以上，宽频带范围内圆极化轴比小于1.5dB。
2、本发明天线的宽频带特性在天线装配完成即可获得，结构简单，无需调试，具有良好的一致性。
3、本发明采用了背射螺旋和赋形反射腔相结合的技术提高了天线的口径利用率，使天线的增益达到10dB以上。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的宽频带馈电组件结构图；
图3为本发明的赋形反射腔体结构图；
图4为本发明的反射腔体托盘结构图；
图5为本发明的螺旋介质支撑结构图；
图6为本发明的金属螺旋线结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本发明的宽频带背射螺旋天线，包括馈电组件1、初级辐射器和反射腔。馈电组件1由连接柱11、过渡馈电介质12、变换馈电介质13、馈电外导体14、馈电内导体15、电缆16、电连接器17顺次连接组成；初级辐射器由金属螺旋线5绕在螺旋线介质支撑4上形成；反射腔包括反射体托盘2和反射腔体3；螺旋线介质支撑4固定连接在反射体托盘2中心，馈电组件1连接在反射体托盘2上，馈电内导体1 5通过连接柱11与螺旋线5的下端连接。将螺旋支撑4和赋形反射体托盘2通过安装法兰6和支柱7用螺钉连接起来，将馈电组件1和金属螺旋线5通过焊接连接，将馈电组件1和赋形反射体托盘2通过螺钉连接起来，则整个天线组装完毕。
馈电组件1的功能是完成同轴电缆与螺旋天线之间的阻抗变换和连接，金属螺旋线5的功能是将馈电组件1传输的电磁能量进行初次背向辐射，螺旋介质支撑4是金属螺旋线5的附着物，其功能是对金属螺旋线5进行固定和保护；反射体托盘2和赋形反射腔体3通过螺钉连接在一起，其功能是将金属螺旋线5的初级能量进行前向反射，形成高增益的前向辐射能量，螺旋介质支撑4通过安装法兰6和支柱7固定在反射腔托盘2上，形成一个完整的宽频带背射螺旋天线。
馈电组件1为同轴结构，馈电内导体15为电缆内芯，馈电外导体14为一体化，在每个传输段内径不同，变换馈电介质13填充介质为空气；通过连接柱11和过渡馈电介质12将其金属螺旋线5和馈电内导体15可靠连接。
宽带匹配设计的具体过程如下：首先通过电磁仿真软件精确计算天线未加匹配装置的特性阻抗，然后加装空气填充的同轴类型匹配段，通过优化该匹配段的长度和空气填充圆环的内外半径，使得天线输出端口驻波比在宽频带内最小。该方法可以将天线的带宽大大展宽，采用空气填充具有在宽频带范围内较一致的电性能，故而宽频带特性很好。
如图3和图4所示，将赋形反射腔3和赋形反射腔体托盘2通过螺钉连接为一个整体，则赋形反射腔准备完毕。赋形背腔的设计具体过程如下：赋形反射腔体形状由背腔边缘轮廓线围绕螺旋天线轴线旋转360度而成。将背腔边缘轮廓线与水平地面的夹角作为优化变量，将天线增益作为优化目标，通过调节并选取合适的赋形反射腔体边缘轮廓线与水平地面的夹角，使得天线增益最大。本实施例的夹角选为14度。
如图5和图6所示，在螺旋介质支撑4上通过车床刻出相应的螺纹槽，将金属丝(铜丝等)固定在螺旋槽内绕成金属螺旋线5，则螺旋介质支撑4和金属螺旋线5组成的初级辐射器准备完毕。
本实施例的天线电压驻波比VSWR＜2的实测带宽为2.5GHz～4.0GHz，即绝对带宽1.5GHz，相对带宽46％；频带内增益最小值为14dB，即天线的增益均大于14dB。采用简单结构的底部馈电方式使得该天线的在螺旋线在圈数固定的条件下圆极化特性最佳，即圆极化轴比AR＜1.5dB。
天线在中心工作频率增益随张角变化如下表所示：
张角(度) 10  13  14  15  17  20
增益(dB) 15.76  16.15  16.37  16.24  16.11  15.98

Claims (4)

1.宽频带背射螺旋天线，包括馈电组件(1)、初级辐射器和反射腔，其特征在于：馈电组件(1)由连接柱(11)、过渡馈电介质(12)、变换馈电介质(13)、馈电外导体(14)、馈电内导体(15)、电缆(16)、电连接器(17)顺次连接组成；初级辐射器由金属螺旋线(5)绕在螺旋线介质支撑(4)上形成；反射腔包括反射体托盘(2)和反射腔体(3)；螺旋线介质支撑(4)固定连接在反射体托盘(2)中心，馈电组件(1)连接在反射体托盘(2)上，馈电内导体(15)通过连接柱(11)与螺旋线(5)的下端连接；所述反射腔体(3)为赋形反射腔体，形状为反射腔边缘轮廓线围绕螺旋天线轴线旋转360度。
2.根据权利要求1的宽频带背射螺旋天线，其特征在于：所述变换馈电介质(13)内填充的介质为空气。
3.根据权利要求1的宽频带背射螺旋天线，其特征在于：所述反射腔体(3)的边缘轮廓线与水平地面的夹角为10～20度。
4.根据权利要求3的宽频带背射螺旋天线，其特征在于：所述反射腔体(3)的边缘轮廓线与水平地面的夹角为14度。
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