CN102055077A - 线极化宽频带背射螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线极化宽频带背射螺旋天线，由初级辐射器(1)、馈电组件(2)和反射腔组件(3)组成，初级辐射器(1)安装在反射腔组件的中心位置，由第一金属螺旋臂(11)和第二金属螺旋臂(12)双臂缠绕在介质支撑结构(13)上对称位置开始缠绕形成；馈电组件(2)为同轴结构，由第一连接柱(21)、第二连接柱(22)、变换馈电介质(23)、馈电内导体(24)、馈电外导体(25)和电连接器(26)顺次连接而成；反射腔组件(3)包括赋形反射腔(31)和边环(32)。本发明采用双线螺旋臂逆绕的形式，保留了背射螺旋的宽频带特性，同时实现了线极化的工作模式，扩展了背射螺旋天线的应用范围。

Description

线极化宽频带背射螺旋天线
技术领域
本发明属于无线通信领域的天线技术，特别涉及一种宽频带、高增益、线极化的背射螺旋天线设计。
背景技术
在静止轨道卫星上用来完成地面数据接收与转发功能的天线，工作在LS频段，要求实现全球覆盖波束，即在天线轴向±8度的范围内具有高增益，同时须采用已有的线极化工作方式的地面站系统，因此需求一种具有宽频带、高增益的线极化天线。
作为低频段高增益的天线来说，背射天线具有制作简单、可加工性好、成本低、重量轻等特点，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馈源的电磁波转换为高增益前向辐射的电磁波，因此可获得高增益，可作为优选。
背射天线的带宽和工作极化方式均是由初级馈源的选择决定的。常见的线极化工作的天线多采用振子和螺旋作为初级馈源。采用以振子或者交叉振子作为初级馈源的背射天线，这类天线一般工作在线极化，但由于振子或者是交叉振子本身的带宽比较窄，因此天线的一般相对带宽也较窄，增益方向图带宽约为10％，无法满足现代通信容量对于天线带宽的要求。而采用螺旋作为初级馈源的背射天线，这类天线具有宽频带的特性，然而其极化方式为圆极化，非线极化工作。
经检索，中国专利号：Z96108158.9的“圆极化背射天线”，该背射天线采用螺旋作为初级辐射器，由初级辐射器和圆柱形反射腔两部分组成，但该天线工作为圆极化方式，且该天线采用标准圆柱形反射腔，无法使天线增益最大。专利申请号“200710176520.8”的“带有螺旋馈源的圆极化短背射天线”，公开的背射螺旋天线由主反射器和副反射器、馈源、辅助支撑等几部分组成，工作原理是电波在主副两个反射器之间来回反射，也是实现圆极化波。专利申请号“200710176521.2”的“宽频带背射螺旋天线”，公开的背射天线由初级辐射器和赋形反射腔两部分组成，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，具有宽频带特性，但并非线极化，而是圆极化工作。
目前，国内外未见线极化宽频带背射螺旋天线的文献报道。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高增益的线极化宽频带背射螺旋天线。
本发明的技术解决方案：线极化宽频带背射螺旋天线，由初级辐射器、馈电组件和反射腔组件组成，初级辐射器安装在反射腔组件的中心位置，由第一金属螺旋臂和第二金属螺旋臂双臂缠绕在介质支撑结构上形成；第一金属螺旋臂和第二金属螺旋臂在介质支撑结构上的对称位置开始缠绕，一个左旋，一个右旋，相隔每半圈出现相交叠部分；在第一金属螺旋臂和第二金属螺旋臂的底端安装有一金属板，金属板固定在介质支撑结构内，用于产生背向辐射模式方向图；馈电组件为同轴结构，由第一连接柱、第二连接柱、变换馈电介质、馈电内导体、馈电外导体和电连接器顺次连接而成；第一连接柱与第一金属螺旋臂固定连接，第二连接柱与第二金属螺旋臂固定连接，两个连接柱将两个螺旋臂与馈电内导体固定连接；馈电内导体和馈电外导体之间填充变换馈电介质，变换馈电介质用来进行阻抗匹配；电连接器的外导体与馈电外导体固定连接；电连接器的内导体插芯插入馈电内导体中；反射腔组件包括赋形反射腔和边环。
所述第一金属螺旋臂和第二金属螺旋臂具有相同的螺距、圈数和螺旋起始半径。
所述反射腔组件的赋性反射腔形状为抛物线围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其抛物线方程为X2＝4fZ
其中，f为抛物线的焦距，X为抛物线在水平方向的值，Z为赋性反射腔的轴向高度，(X，Z)为抛物线的坐标值，随着轴向高度Z而变化。
所述边环由赋性反射腔边缘向上延伸一段λ/4的线段围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其中λ为波长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)与以振子或者交叉振子作为初级馈源的现有线极化天线相比，本发明采用双线螺旋臂逆绕的形式，保留了背射螺旋的宽频带特性，同时实现了线极化的工作模式，扩展了背射螺旋天线的应用范围。背射螺旋天线一般频带宽、增益高且以圆极化形式工作，而本发明采用相同尺寸的左旋螺旋臂和右旋螺旋臂共同组合构成背射螺旋天线的初级辐射器，电流分布在两条螺旋臂上，由于螺旋臂旋向相反，导致臂上电流等幅沿不同方向传输，通过左旋和右旋的分解叠加原理，一个方向相互抵消，一个方向相互叠加通过两螺旋臂的相互逆绕，最终形成线极化波，特别适合于需要高增益、宽频带、线极化方式工作的天线设计。
(2)本发明在螺旋初级辐射器天线采用双螺旋臂底端安装有一金属板，起引向器的作用，使其产生背向辐射模式方向图，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前向辐射，提高了天线的增益。
(3)本发明的反射腔采用抛物面和边环相组合的方式，将初级馈源置于等效焦点上，使天线获得最大增益。由于螺旋线初级馈源的电磁能量是非均匀的，如果采用标准的圆柱形反射腔，因为圆柱形底面是水平的，会形成平板反射，不能使反射能量最大，即反射效率最佳。因此本发明将反射腔采用抛物面和边环相组合的方式，将初级馈源置于等效焦点上，从而使天线获得最大增益。
附图说明
图1为本发明的天线整体结构图；
图2为本发明的初级辐射器1的结构图；
图3为本发明的馈电组件2的结构图；
图4为本发明的反射腔组件3的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的线极化宽频带背射螺旋天线由初级辐射器1、馈电组件2和反射腔组件3组成。
如图1所示，本发明的线极化宽频带背射螺旋天线，由初级辐射器1、馈电组件2和反射腔组件3组成。
图2为初级辐射器结构图，其中第一金属螺旋臂11、第二金属螺旋臂12、介质支撑结构13、金属板14。第一金属螺旋臂11和第二金属螺旋臂双臂12在介质支撑结构13上的对称位置开始缠绕，第一金属螺旋臂11左旋，第二金属螺旋臂12右旋。当然，两个金属螺旋臂的旋向相反即可。
在第一金属螺旋臂11和第二金属螺旋臂双臂12的底端安装一金属板14，金属板14固定在介质支撑结构13内，整个初级辐射器1安装在反射腔组件3的中心位置。
图3为馈电组件结构图，该馈电组件2为同轴结构，由第一连接柱21、第二连接柱22、变换馈电介质23、馈电内导体24、馈电外导体25和电连接器26顺次连接而成。第一连接柱21与第一金属螺旋臂11采用锡焊连接，第二连接柱22与第二金属螺旋臂12采用锡焊连接，通过两个连接柱将两个螺旋臂与馈电内导体24可靠连接；馈电内导体24和馈电外导体25之间填充变换馈电介质23；变换馈电介质23用来进行阻抗匹配；电连接器26的外导体与馈电外导体25固定连接；电连接器26的内导体插芯插入馈电内导体24中；电连接器26是市场上出售的N型、或TNC型、或SMA型等类型的接头。
图4为本发明的反射腔组件结构图，反射腔组件3由赋性反射腔31和边环32组成，其中赋性反射腔31和边环32共同组成一个整体。
赋性反射腔31的形状为抛物线围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其抛物线方程为X2＝4fZ
其中，f为抛物线的焦距，X为抛物线在水平方向的值，Z为赋性反射腔的轴向高度，(X，Z)为抛物线的坐标值，随着轴向高度Z而变化。
本实施例中抛物线的焦距f＝490mm；赋性反射腔31的轴向高度Z＝46mm；计算得到X＝300mm。设计时可以对这些参数进行优化仿真，使天线的性能最佳。
边环32由赋性反射腔31边缘向上延伸一段λ/4的线段围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其中λ为波长。本实施例中λ＝160mm。
经测试，本发明线极化宽频带背射螺旋天线的主要性能可以达到：
方向图：沿天线轴向形成笔形波束，具有良好的对称性，带宽可达20％。
增益：天线正前方增益最大可达19dBi，±8°的边缘增益可达16dBi。
极化方式：线极化。
当然，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。
本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (3)

1.线极化宽频带背射螺旋天线，由初级辐射器(1)、馈电组件(2)和反射腔组件(3)组成，其特征在于：初级辐射器(1)安装在反射腔组件的中心位置，由第一金属螺旋臂(11)和第二金属螺旋臂(12)双臂缠绕在介质支撑结构(13)上形成；
第一金属螺旋臂(11)和第二金属螺旋臂(12)在介质支撑结构(13)上的对称位置开始缠绕，一个左旋，一个右旋，相隔每半圈出现相交叠部分；
在第一金属螺旋臂(11)和第二金属螺旋臂(12)的底端安装有一金属板(14)，金属板(14)固定在介质支撑结构(13)内，用于产生背向辐射模式方向图；
馈电组件(2)为同轴结构，由第一连接柱(21)、第二连接柱(22)、变换馈电介质(23)、馈电内导体(24)、馈电外导体(25)和电连接器(26)顺次连接而成；第一连接柱(21)与第一金属螺旋臂(11)固定连接，第二连接柱(22)与第二金属螺旋臂(12)固定连接，两个连接柱将两个螺旋臂与馈电内导体(24)固定连接；馈电内导体(24)和馈电外导体(25)之间填充变换馈电介质(23)，变换馈电介质(23)用来进行阻抗匹配；电连接器(26)的外导体与馈电外导体(25)固定连接；电连接器(26)的内导体插芯插入馈电内导体(24)中；
反射腔组件(3)包括赋形反射腔(31)和边环(32)。
2.根据权利要求1的线极化宽频带背射螺旋天线，其特征在于：所述第一金属螺旋臂(11)和第二金属螺旋臂(12)具有相同的螺距、圈数和螺旋起始半径。
3.根据权利要求1的线极化宽频带背射螺旋天线，其特征在于：所述赋性反射腔(31)的形状为抛物线围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其抛物线方程为X2＝4fZ
其中，f为抛物线的焦距，X为抛物线在水平方向的值，Z为赋性反射腔的轴向高度，(X，Z)为抛物线的坐标值，随着轴向高度Z而变化；
所述边环(32)由赋性反射腔(31)边缘向上延伸一段λ/4的线段围绕螺旋馈源轴线旋转360度形成，其中λ为波长。
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