CN101872895A - 高增益平面宽频天线 - Google Patents

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杨青慧
张怀武
刘颖力
刘畅
范丹
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Abstract

高增益平面宽频天线，涉及微波技术。本发明包括阿基米德螺旋天线辐射片、渐变巴伦和外壳，外壳内设置有反射腔，阿基米德螺旋天线辐射片通过渐变巴伦连接到信号源接入端。本发明的有益效果是，宽频螺旋天线的增益有了很大程度的提高，远场辐射的圆极化特性良好，同时整个天线系统的驻波也具有较好的性能。本发明具有高增益和稳定的增益、较低的轴比，在军事和民用方面具有着广泛的应用前景。

Description

高增益平面宽频天线
技术领域
本发明涉及微波技术。
背景技术
螺旋天线本身可实现宽频和波束圆极化，且体积小，重量轻，结构稳定，在卫星通讯中的抗干扰和电子对抗领域中得到了广泛的应用。而现代天线领域中，倾斜波束指向的平面螺旋天线可不需要倾斜天线平面以达到波束指向对准卫星的目的，且尺寸小，轮廓低，因而作为地面移动通信天线也引起了广泛的关注。平面宽频螺旋天线已经有很多文献提及。但实现单向高增益的宽频螺旋天线在国内还属于空白。
目前，普通的背腔式螺旋天线由于反射腔的长度改变了螺旋天线的非频变特性，一般会在背腔内填充电磁吸波材料来减少谐振效应，这样天线背腔方向的能量会被吸波材料吸收，转换成热能释放，这样虽实现了螺旋天线的非频变效应，但由于吸波材料引起的损耗导致天线增益很低，同时天线增益在整个带宽内变化很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高增益、低轴比的宽频天线。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高增益平面宽频天线，包括阿基米德螺旋天线辐射片、渐变巴伦和外壳，外壳内设置有反射腔，阿基米德螺旋天线辐射片通过渐变巴伦连接到信号源接入端。
所述阿基米德螺旋天线辐射片具有双螺旋结构，两个螺旋臂分别通过渐变巴伦两面的微带线连接到信号接入端。
所述渐变巴伦由介质基片和分别设置在介质基片两面的微带线构成，介质基片两面的微带线的外轮廓为指数渐变线。
所述外壳具有圆柱形内壁，反射腔的底部设置有反射圆台，圆柱形内壁和反射圆台之间的空腔构成反射腔，反射腔的顶部为阿基米德螺旋天线辐射片。
所述反射圆台底面到辐射片的距离为1/4最大波长，圆台上表面到阿基米德螺旋天线辐射片的距离为1/4最小波长，圆台上表面的周长为最小波长，圆台下表面周长为最大波长。
所述阿基米德螺旋天线辐射片是微带线宽与间隙宽度相等的自补型阿基米德平面螺旋天线辐射片。
所述渐变巴伦设置于反射腔中轴位置，穿过反射腔圆台的顶面。
本发明的有益效果是，宽频螺旋天线的增益有了很大程度的提高，远场辐射的圆极化特性良好，同时整个天线系统的驻波也具有较好的性能。本发明具有高增益和稳定的增益、较低的轴比，在军事和民用方面具有有着广泛的应用前景。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的反射腔沿中轴线剖面(纵向剖面)示意图。
图2为本发明的阿基米德螺旋天线辐射片示意图。
图3为本发明的渐变巴伦结构示意图。a、b分别为介质基片两面的微带线示意图。
图4为异型反射腔模型图。
图5为阿基米德螺旋天线辐射片与微带渐变巴伦连接示意图(仿真图)。
具体实施方式
参见图1～5。
本发明的工作原理为：微波能量通过微带渐变巴伦2从信号源馈入阿基米德螺旋天线辐射片1，辐射片产生正向辐射和背向辐射，背向辐射的电磁信号通过异形反射腔4反射回正向辐射，与原本正向辐射的信号叠加，从而使正向辐射能量增加，天线增益增加。
本发明由阿基米德螺旋天线辐射片1、外壳3、渐变巴伦2和信号输入端构成，外壳内有一反射腔4，反射腔4内设置有一反射圆台5，圆台的外表面为反射面。反射腔4的内壁为圆柱形，圆柱和圆台共轴。圆台底面到辐射片的距离为1/4最大波长，圆台上表面到辐射器的距离为1/4最小波长，圆台上表面的周长为最小波长，圆台下表面为最大波长。
阿基米德螺旋天线辐射片1具有双螺旋结构，辐射片上微带线宽与间隙宽度相等，两个微带线螺旋臂在辐射片中心位置分别通过渐变巴伦两面的微带线连接到信号接入端，如图2。渐变巴伦的介质基板两面分别设置有指数渐变微带线，两条微带线分别与螺旋天线的两个螺旋臂连接，渐变巴伦位于反射腔的中轴位置，穿过圆台的顶面，渐变巴伦的微带线接信号输入端。
进一步的说，渐变巴伦的微带线为指数渐变。当首末两点确定后，指数渐变的曲线随之确定。
以下简述本发明的结构设计过程。
步骤一、天线片辐射器的建模与仿真
以8～18GHz的频率为标准设计一个阿基米德螺旋结构的天线片粗形。
以35×35的网格划分密度对天线片粗形进行初仿真。
调整此天线片粗形的敏感系数：天线臂宽D；线间间距d和螺旋曲率a进行初防真。
对比初仿真结果(simth圆图；辐射方向图)挑选具有可接受的天线片的特性阻抗和辐射增益的天线数据，得出天线片辐射器的最终模型。
步骤二、微带渐变线巴伦馈电系统的建模和仿真
以实现同轴线不平衡馈电到平行双线的平衡馈电为目的，设计一个微带线到平行双线的基本馈电模型。
在馈电模型的基础上利用指数渐变线建立出微带渐变巴伦。
馈电端50欧姆，匹配端以天线片特性阻抗为参照，利用CST对微带渐变巴伦的敏感系数(长度L；非平衡端上下宽度：d1，d2；平衡端宽度：d3，渐变系数b)进行仿真。
分析所用仿真结果(驻波比)，挑选出可接受的仿真数据，以实现天馈系统的最好匹配。
组合天馈系统进行第一次收验分析。
步骤三、反射腔体的设计、建模和仿真
以最大和最小辐射波长为基准设计一个内侧带圆锥体的腔体模型。
组合腔体模型与天馈系统成整机。
对腔体敏感系数(锥体高度h，上下锥面半径r，R；)进行大量仿真。
对比辐射增益特性图，选出可接受腔体数据。
对整机进行第二次收验分析。
步骤四、天线整机实物制作
按最终收验分析得出的天线设计数据利用autoCAD进行工程绘图，曲线用Vb程序设计语言实现.
将最终工程图输入，在介电常数为2.2的介电基板上进行光刻，精确到0.1mm。
按最终收验分析得出异型反射腔体数据同样利用autoCAD进行工程制图，螺丝口采用行业标准M0.6和M2。
将最终工程图输入高精度数控加工车床，利用轻质铝，设置2丝加工精度，腔体内表面0.8光洁度，进行腔体加工。
超声波电焊组合天馈体统，组装整机，馈电口采用50欧姆镀金接口。
步骤五、天线整机实物测试
利用网络分析仪对天线整机进行驻波测试。
利用微波暗室测试天线辐射特性图，测出天线增益和天线圆极化轴比。
通过上述内容，结合具体的波长、增益等设计要求，即可确定本发明的天线结构的各项参数。
本发明的说明书已经对本发明的原理和必要的细节作出了详细说明，本领域普通技术人员完全能够据此实施本发明，故对于更详细的细节不再赘述。

Claims (7)

1.高增益平面宽频天线，其特征在于，包括阿基米德螺旋天线辐射片(1)、渐变巴伦(2)和外壳(3)，外壳内设置有反射腔(4)，阿基米德螺旋天线辐射片(1)通过渐变巴伦(2)连接到信号源接入端。
2.如权利要求1所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述阿基米德螺旋天线辐射片(1)具有双螺旋结构，两个螺旋臂分别通过渐变巴伦(2)两面的微带线连接到信号接入端。
3.如权利要求2所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述渐变巴伦(2)由介质基片(21)和分别设置在介质基片两面的微带线构成，介质基片(21)两面的微带线的外轮廓为指数渐变线。
4.如权利要求2所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述外壳(3)具有圆柱形内壁，反射腔的底部设置有反射圆台(5)，圆柱形内壁和反射圆台(5)之间的空腔构成反射腔，反射腔的顶部为阿基米德螺旋天线辐射片(1)。
5.如权利要求4所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述反射圆台底面到阿基米德螺旋天线辐射片(1)的距离为1/4最大波长，圆台上表面到阿基米德螺旋天线辐射片(1)的距离为1/4最小波长，圆台上表面的周长为最小波长，圆台下表面周长为最大波长。
6.如权利要求4所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述阿基米德螺旋天线辐射片(1)是微带线宽与间隙宽度相等的自补型阿基米德平面螺旋天线辐射片。
7.如权利要求1所述的高增益平面宽频天线，其特征在于，所述渐变巴伦(2)设置于反射腔中轴位置，穿过反射腔圆台的顶面。
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