CN101587987B - 无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线。它是由环形微带传输线，陶瓷介质板，平面两臂槽螺旋阵列，吸收电阻，金属化过孔，同轴接头，金属背腔和金属接地板构成。其中连接同轴接头和吸收电阻的环形微带传输线位于陶瓷介质板的正面，平面两臂槽螺旋阵列蚀刻在陶瓷介质板背面的金属接地板上，圆形平面金属背腔也位于陶瓷介质板的背面。本发明在1.52～1.62GHz频带内回波损耗小于-10dB，且具有良好的增益和轴比特性。本发明天线无需巴伦，还具有低剖面，小型化，结构简单，易于实现的特点，可作为多种卫星导航定位系统的终端接收天线。

Description

无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线

技术领域

本发明涉及一种无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，该阵列天线可用作多种卫星导航定位系统中的终端接收天线。

背景技术

卫星导航定位系统在人们的生活中应用越来越广泛，人们对卫星导航定位系统用户终端的接收天线的研究也越来越多。平面螺旋天线具有超宽的频带，稳定的增益和较低的轴比，使其在各种超宽带圆极化天线的军事应用和商业领域具有广泛应用。卫星定位系统对天线的相位中心稳定度提出了较高的要求，要求天线具有均匀稳定的相位相应，平面螺旋天线具有相位中心稳定度高的特点，人们对它在卫星定位系统中的应用产生了浓厚的兴趣。

平面螺旋天线的基本形式分为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线(参见巴拉尼斯著，钟顺时等译，天线理论——分析与设计，下册，电子工业出版社，1988，48-54页；钟顺时编著，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991，114-115页)。平面螺旋天线为平衡结构，当用同轴线等非平衡传输线对其馈电时需要加巴伦来平衡电流。专利(带背腔的超宽带平面螺旋天线，申请号200810202640，公开号CN 101394020A)使用了渐变同轴巴伦，但这种方法实现难度较大。文献(宋朝晖，邱景辉，张胜辉，刘志惠，一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究，制导与引信，2003，2(24)：36-39)采用了微带线双面阻抗转换巴伦，这种巴伦频带非常宽，却不容易集成实现小型化。为了改善平面螺旋天线的轴比，文献(M.W.Nurnberger and J.L.Volakis，“New Termination for Ultrawide-Band Slot Spirals”，IEEE Trans.Antennas Propagat.，vol.50，pp.82-85，January 2002)沿着螺旋臂加载了阻抗负载，但这种方法会同时减小天线的增益。平面螺旋天线为双向辐射天线，为了达到单向辐射特性，文献(M.W.Nurnberger and J.L.Volakis，“A New Planar Feed for Slot Spiral Antennas”，IEEE Trans.AntennasPropagat.，vol.44，pp.130-131，January 1996)在天线背面添加吸波材料，这样可以显著的提高天线的驻波比和轴比特性，但却是以牺牲曾以为代价的。文献(HISAMATSU NAKANO，KAZUO NOGAMI，SATOSHI ARAI，HIROAKI MIMAKI and JUNJI YAMAUCHI，“A SpiralAntenna Backed by a Conducting Plane Reflector”，IEEE Trans.Antennas Propagat.，vol.AP-34，pp.791-796，June 1986)使用增加金属平板来使螺旋天线达到单向辐射，但反射板到螺旋天线的距离为天线最低工作频率对应的四分之一波长，使天线总体积增大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种新型平面两臂槽螺旋阵列天线，在满足多种卫星导航定位系统接收天线要求的同时还具有小型化，平面结构，低剖面，加工简单等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案有：

一种无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，包括：环形微带传输线，陶瓷介质板，平面两臂槽螺旋阵列，吸收电阻，金属化过孔，同轴接头，金属背腔，金属接地板；其特征在于：在所述陶瓷介质板的正面，所述同轴接头和吸收电阻连接所述环形微带传输线；在所述陶瓷介质板的背面，有蚀刻所述平面两臂槽螺旋阵列的所述金属接地板和圆形平面的金属背腔。

所述的微带传输线为一环形微带线，其周长为陶瓷介质中中心工作频率的一个波长。环形微带传输线的一头接馈电的同轴接头，另一头接一个吸收电阻，通过金属过孔与地相连。

所述的平面槽螺旋阵列由N单元两臂槽螺旋天线单元经旋转排阵而成，N取2-4，螺旋形式为阿基米德螺旋或者等角螺旋，螺旋臂的旋向应与环形传输线从馈电点到吸收电阻的旋向相同。N元螺旋阵两臂螺旋之间的夹角应为180/N度。螺旋单元臂内端相连的矩形槽用来获得从微带传输线处耦合到的能量。并采用一圆弧截断螺旋臂，这样得的螺旋臂在终端形成一个渐削结构。

所述的吸收电阻通过所述金属化过孔与平面两臂槽螺旋阵列所在的所述金属接地板相连，所述吸收电阻的阻值为50欧姆、或75欧姆、或100欧姆。

所述的陶瓷介质板具有相对较高的介电常数和较低的损耗角正切。其相对介电常数为8-40，其损耗角正切不大于10^-3，厚度大于1.5mm。

所述的金属背腔为一平面圆形背腔，其口径大小与陶瓷介质板和金属接地板的直径相同。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明采用对称的平面两臂螺旋阵列天线结构，具有稳定的相位中心。本发明采用微带线槽耦合对两臂螺旋阵单元进行馈电，无需外接巴伦，实现小型化。螺旋臂不用加载电阻负载，利用两臂螺旋排阵和终端渐削结构可以实现圆极化，且不会损耗增益，降低效率。采用相对介电常数相对较高的陶瓷介质板，可以相对减小平面螺旋天线的尺寸。由于采用金属背腔来实现单向辐射不会牺牲天线的增益，且由于平面螺旋天线采用槽螺旋，可以大大减小陶瓷介质板到背腔的距离，有效地减小了天线的尺寸，实现低剖面。

本发明的平面四臂槽螺旋在1.52～1.62GHz的频率范围内回波损耗小于-10dB，增益在1.52～1.62GHz范围内大于6dB，轴比在1.52～1.62GHz范围内小于6dB，在1.54～1.64GHz范围内小于3dB，可以用作卫星导航定位系统的接收天线。本天线结构紧凑，体积小，加工方便，成本低，并在所需频带范围内具有优良的性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的正面结构示意图。

图2是图1示例的背面结构示意图。

图3是图1示例的侧面结构示意图。

图4是图1示例的仿真回波损耗曲线图。

图5是图1示例的仿真归一化方向图曲线图。

图6是图1示例的仿真增益曲线图。

图7是图1示例的仿真轴比曲线图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：天线的结构如图1，图2和图3所示。本实施例包括：环形微带传输线1，陶瓷介质板2，平面两臂槽螺旋阵列3，吸收电阻4，金属化过孔5，同轴接头6，金属背腔7，金属接地板8。环形微带传输线1和吸收电阻4位于陶瓷介质板2的正面，平面槽螺旋天线3，同轴接头6和金属背腔7都位于陶瓷介质板2的背面。

所述的环形微带传输线一端接同轴接头6，一端接吸收电阻4。环形微带线的周长为陶瓷介质中中心工作频率对应的一个波长，使平面螺旋天线阵列具有良好的圆极化特性。

所述的吸收电阻4通过金属化过孔5与平面两臂槽螺旋阵列3所在的金属接地板8相连，吸收电阻4用来吸收环形微带传输线1中未耦合到平面两臂槽螺旋阵列3中的能量，防止反射能量影响天线的性能。吸收电阻的阻值一般为50欧姆，75欧姆或者100欧姆。

所述的平面两臂槽螺旋阵列3作为辐射单元位于陶瓷介质板2的背面，可为两单元或者多单元阵列，一般取阵列单元数N为2-4，N元螺旋阵两臂螺旋之间的夹角应为180/N度，其螺旋形式为阿基米德螺旋或者等角螺旋，平面螺旋阵列蚀刻在金属接地板8上。螺旋臂的终端采用一圆弧来截断，从而形成一个终端渐削结构。阵单元螺旋臂的旋向应与环形微带传输线1从同轴接头6到吸收电阻4的旋向相同，以达到较好的轴比性能。

所述的陶瓷介质板2使用相对介电常数较大，介质损耗角正切尽量小的陶瓷材料，这样可以增大辐射效率，相对减小天线尺寸。一般取相对介电常数ε_r＝8□40之间，损耗角正切tanδ≤10^-3。介质板厚度的选择可主要从保证天线强度来考虑，一般取厚度大于1.5mm。

所述的金属背腔7为一平面圆形背腔，其大小与陶瓷介质板2和金属接地板8的大小相同。金属背腔7到陶瓷介质板2的距离远远小于中心工作频率的四分之一波长。

所述的同轴接头6采用底馈的SMA接头。

本实施例的工作过程为：所述的同轴接头6外接信号源，做发射天线时外加的激励信号沿环形微带传输线1传输，分别在六处把信号能量耦合给平面两臂槽螺旋阵列3，向周围空间辐射出去，未耦合的能量被吸收电阻所吸收。接收过程则相反，从而实现无线通信的功能。

本实施例具体尺寸如下：环形微带传输线1半径12mm，吸收电阻4阻值50欧姆，平面两臂槽螺旋阵列3为3单元阵，采用阿基米德螺旋，内径19.5mm，外径46mm，增长率3.2mm，槽螺旋臂宽1.4mm，陶瓷介质板2厚度2mm，相对介电常数9.3，金属背腔7与金属接地板8距离14mm。

图4为本实施例的仿真回波损耗参数曲线图，其中横坐标代表频率变量，单位GHz；纵坐标代表回波损耗S11幅度变量，单位dB。如图所示，本实施例平面两臂槽螺旋阵列天线的工作频带是1.52～1.62GHz，回波损耗S11参数在通带内小于-10dB。

图5为本实施例在1.56GHz中心工作频率上的仿真归一化方向图。从图中可以看出，本实施例平面两臂槽螺旋阵列天线为单向辐射。

图6为本实施例的增益曲线图，其中横坐标代表频率变量，单位GHz；纵坐标表代表代表增益，单位dB。如图所示，本实施例平面两臂槽螺旋阵列天线在通带1.52～1.62GHz内增益大于6dB。

图7为本实施例的轴比曲线图，其中横坐标代表频率变量，单位GHz；纵坐标表代表代表轴比，单位dB。如图所示，本实施例平面两臂槽螺旋阵列天线在通带1.52～1.62GHz内轴比小于6dB，在1.54～1.60GHz范围内轴比小于3dB。

Claims (5)

1.一种无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，包括：环形微带传输线(1)，陶瓷介质板(2)，平面两臂槽螺旋阵列(3)，吸收电阻(4)，金属化过孔(5)，同轴接头(6)，金属背腔(7)，金属接地板(8)；其特征在于：在所述陶瓷介质板(2)的正面，所述同轴接头(6)和吸收电阻(4)连接所述环形微带传输线(1)；在所述陶瓷介质板(2)的背面，有蚀刻了所述平面两臂槽螺旋阵列(3)的所述金属接地板(8)及圆形平面的金属背腔(7)；所述环形微带传输线(1)周长为中心工作频率在陶瓷介质板(2)中的一个波长，且其一端接所述同轴接头(6)，另一端接所述吸收电阻(4)。

2.如权利要求1所述的无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，其特征在于所述平面两臂槽螺旋阵列(3)为由N单元两臂螺旋阵列组合而成，N取2-4；其螺旋形式为阿基米德螺旋或等角螺旋；其螺旋臂的终端采用一圆弧周来截断，从而形成一个终端渐削结构；其螺旋臂的旋向应与所述环形微带传输线(1)从所述同轴接头(6)到吸收电阻(4)的旋向相同。

3.如权利要求1所述的无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，其特征在于所述吸收电阻(4)通过所述金属化过孔(5)与平面两臂槽螺旋阵列(3)所在的所述金属接地板(8)相连，所述吸收电阻的阻值为50欧姆、或75欧姆、或100欧姆。

4.如权利要求1所述的无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，其特征在于陶瓷介质板(2)相对介电常数为8～40，其损耗角正切不大于10^-3，厚度大于1.5mm。

5.如权利要求1所述的无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线，其特征在于所述金属背腔(7)为平面圆形背腔，其口径大小与所述陶瓷介质板(2)和金属接地板(8)的直径相同。

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