CN102074792A

CN102074792A - 一种自补螺旋天线及其作为反射器的用途

Info

Publication number: CN102074792A
Application number: CN2010105408428A
Authority: CN
Inventors: 宋朝晖; 张书鹏; 袁乐; 张健; 李红梅; 杨永明; 汤礼雅
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-05-25

Abstract

一种自补螺旋天线及其作为反射器的用途，本发明涉及一种自补阿基米德螺旋天线，本发明还涉及该天线的用途。它解决了传统技术采用天线阵所带来的天线的封装困难、及防止天线之间产生的各种干扰使得整个天线的设计复杂化的缺陷。它由2n个螺旋天线臂组成，每个螺旋天线臂都为同样的阿基米德螺旋线形状，所述多个螺旋天线臂的阿基米德螺旋线原点都相同，多个螺旋天线臂按顺时针或逆时针等角度排列，所述n为自然数，所述多个螺旋天线臂所共在的面是内凹的抛物面且阿基米德螺旋线原点位于抛物面的顶部中心。本发明还提供了该自补螺旋天线作为更高频率信号天线反射器的用途，多个螺旋天线臂所共在的抛物面的焦点作为辐射源的位置。

Description

一种自补螺旋天线及其作为反射器的用途

技术领域

本发明涉及一种自补阿基米德螺旋天线，本发明还涉及该天线的用途。

背景技术

实际应用中的天线，由于用途和目的不同，比如关于信号的发射或接收方向性的要求不同，对各种参数有着不同的要求侧重点，这使得对天线的要求有所不同，而普通的平面螺旋天线常常不能满足人们的所有要求。虽然可以采用天线阵列的方法解决这个问题，但是这样一来，却大大增加了整个天线的口径和重量，同时也使得天线的封装困难，除此以外，还有可能要影响到天线的其它方面如天线座等的设计；同时，由于采用天线阵的方法，既要考虑天线之间在辐射特性上的连贯性，又要防止天线之间产生的各种干扰，从而使得整个产品的设计复杂化。

发明内容

本发明的目的是提供一种自补螺旋天线，以解决传统技术采用天线阵所带来的天线的封装困难、及防止天线之间产生的各种干扰使得整个天线的设计复杂化的缺陷。它由2n个螺旋天线臂1组成，每个螺旋天线臂1都为同样的阿基米德螺旋线形状，所述多个螺旋天线臂1的阿基米德螺旋线原点O都相同，多个螺旋天线臂1按顺时针或逆时针等角度排列，所述n为自然数，所述多个螺旋天线臂1所共在的面是内凹的抛物面且阿基米德螺旋线原点O位于抛物面的顶部中心。

本发明还提供了该自补螺旋天线作为反射器的用途，多个螺旋天线臂1所共在的抛物面的焦点作为辐射源的位置。

由于本发明的多个螺旋天线臂1共面于一个内凹的抛物面，因此不需要多个平面螺旋天线排成阵列来满足天线的方向性要求，解决了传统技术采用天线阵所带来的天线的封装困难、及防止天线之间产生的各种干扰使得整个天线的设计复杂化的缺陷。本发明既可以用为超宽带天线，也可以用为反射器。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图，图2是本发明的立体结构示意图，图3是实施方式一中第一种辐射带的电流方向示意图，图4是实施方式一中第二种辐射带的电流方向示意图，图5是实施方式二的示意图，图6是实施方式三的S11(反射损耗)图，其中输入阻抗是237欧姆；图7是实施方式三中两对相对臂之间反相馈电产生的和波束的波束仿真效果图，其中频率f＝4GHz；增益G＝6.538dB；图8是图7在XOY面远场增益极坐标上的图像；图9是实施方式三中两对相对臂之间同相馈电产生的差波束的波束仿真效果图，其中频率f＝4GHz；增益G＝3.886dB；图10为图9在XOY面远场增益极坐标上的图像，图11是自补螺旋天线作为反射器的波束方向三维立体示意图，其中频率f＝35GHz；增益G＝29.22dB；图12是自补螺旋天线作为反射器的远场极坐标系表示的天线波束方向示意图，其中频率f＝35GHz，θ＝90度；主瓣增益29.2dB，主瓣方向90度，半功率宽度5.3度，副瓣电平-24.9dB；图13是自补螺旋天线作为反射器的三角坐标系表示的天线远场方向示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4具体说明本实施方式。本实施方式由2n个螺旋天线臂1组成，每个螺旋天线臂1都为同样的阿基米德螺旋线形状，所述多个螺旋天线臂1的阿基米德螺旋线原点O都相同，多个螺旋天线臂1按顺时针或逆时针等角度排列，所述n为自然数，所述多个螺旋天线臂1所共在的面是内凹的抛物面且阿基米德螺旋线原点O位于抛物面的顶部中心。

所述的螺旋天线臂1可以选择为2个、4个、6个或8个。两个相差180°的螺旋天线臂1组成一对螺旋天线相对臂，作为同一对中的两个螺旋天线相对臂同相馈电或同一对中的两个螺旋天线相对臂反相馈电，会激发两种模式，一种为差模式，一种为和模式，从而得到“差信号”和”和信号”，用于无源判向。

以螺旋天线臂1的数目为4个举例说明如下：对于阿基米德螺旋天线而言，四条曲线定义了两个螺旋导体元的边界。曲线的方程为：r＝aθ+b。r与θ分别为极坐标中的矢径与幅角，a和b为任意常数。a为螺旋增长率。四条曲线的a都一样，但是b不同。通常，第一个导体绕原点O旋转180度即成为第二个导体。如果b1和b2是决定螺旋天线一条臂的两条曲线的参量，则W＝|b1-b2|即是导体(或螺线元)的宽度。通常是使导体的宽度与导体间的距离相等，在这种情况下，a与W的关系是a＝2W/π。

导体的宽度与距离的选取最为方便，主要的考虑是应该取得最多的匝数。一股来说，都是使得宽度与距离相等，也就是说，天线是自补的(Self-complementary)。做这样的选择是根据巴比涅-布克(Babinet-Booker)原理算出的天线输入阻抗是180欧姆(实际测量一股为150欧姆左右)。当螺旋天线直径小于λ/π时，增益不大，随着直径的增加，增益逐渐加大，最后达到某一上限。小的螺旋天线增长率的情况，对于宽度一定，平均直径等于λ/π的环而言，这一环中辐射掉的输入功率的百分数随着匝数的增加而增加。同时，外端的能量也变小，而且辐射场中与主带的辐射场逆向的那一部分能量也有所降低。从理论上讲，阿基米德螺旋天线的尺寸只由频率决定，频率下限决定了天线的外径，频率上限则取决于螺旋天线中心处的公差。

本发明作为天线使用时，在微波频段能够实现超宽带。实现了超宽带的原理如下：

按照电流带法的理论认为，螺旋天线的辐射主要在螺旋天线表面的电流带上进行，在这样的地方，相邻螺线元中的电流最接近于同相。如果向螺旋天线的馈电使得进入两个螺线元的能量在中心处有着180°的相位差，那么第一个电流带就将在一臂中的电流转过一圈时而与另一臂中的电流为同相的地方出现。这一条件之所以能出现，是因为螺旋天线的几何形状所致，也就是说，螺旋天线的每下一匝都要比上一匝长。几何分析表明，相邻螺线元中的电流达到同相条件是出现在环的圆周等于一个波长之时。在原点附近，由于两螺线元中的电流反向，以至没有或者只有少量的辐射。离开原点较远时，相邻螺线元中电流关系变得紊乱起来，没有什么规律，因此这一区域在远区场的辐射贡献不大。只有在圆周为一个波长时，相邻螺线元中的电流才同相，也就是说，在这一地方及其附近对远区场辐射才有贡献。可以推知，存在平均直径为λ/π的有限宽度电流带，在此电流带中相邻螺线元中的电流同相或接近同相，这就是第一种辐射带。

如果向螺旋天线的馈电使得进入两个螺线元的能量在中心有着相同的相位，那么要满足相邻导体中电流为同相的条件，同相馈电时所要求的距离为反相馈电时所要求的两倍。采用作图法，可以沿着螺旋天线确切地标会出电流的相位。假定了正弦分布后，螺线元中的电流可用表明正负极性的箭头来代表。根据表示电流方向的箭头，可以观测到螺线元中的相位关系。同相馈电时，每一臂中的电流皆沿螺线元向外流动，经过λ/2，然后倒向。由于两螺线元是同相馈电的，所以中心处相邻的螺线元中电流为同相的区域很小；同时，在这区域之后通常有匹配板，所以这里产生的辐射很小或者根本没有。由于螺线元的几何形状，在圆周约为两个波长时螺线元中的电流便开始同相排列。随着频率的增长，电流带的位置逐渐内移。除了前面所讲的主电流元外，还有次电流元的存在，这两种电流元在相位上反相。实验表明，在螺旋天线的外周上存在次电流带，正是由于这一电流带的存在，才使得频率较高时，全向性方向图这一点变坏。如果不考虑次电流带，那么理论上的上限截止频率只由螺旋天线中心处的最小矢径决定。

总之，由于本实施方式中电流带能够在螺线元上移动，支持了超宽带技术的应用。

具体实施方式二：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式提供了实施方式一所述自补螺旋天线作为反射器的用途，多个螺旋天线臂1所共在的抛物面的焦点作为辐射源的位置。

自补螺旋天线由四个螺旋天线臂1组成。四臂的阿基米德螺旋天线利用放置在抛物面焦点处的辐射源发射出的球面波，经抛物面反射形成定向的平面波束射向空间。根据几何学原理：抛物面的方程可由下式表示 X²-Y²＝4fZ 式中f——焦距，即焦点F到抛物面顶点的距离。

由于旋转抛物面具有对称性，因此只需研究平面内的情况，此时下式可写成抛物线方程

X²＝4fZ

抛物面是由抛物线绕它的轴线(Z轴)旋转而成。

令极坐标系(ρ，ψ)的原点与焦点F重合，则相应的旋转抛物面的方程可表示为：

ρ＝2f/(1+cosψ)

设D为抛物面口径的直径，2ψ₀为口径对焦点所张的角，由上述关系式可导出决定抛物面口径张角的抛物面焦径比：f/D＝1/4ctg(ψ₀/2)

焦径比的大小表征了抛物面的结构特征，f/D越大，口径张角越小，抛物面越浅，加工越容易，但馈源离主反射面越远，天线抗干扰能力就越差，反之亦然。

抛物面具有如下的几何光学特性：由焦点发出的波经抛物面反射，其反射波都平行于Z轴；平面波沿Z轴入射时，则被抛物面反射聚焦于F点。其原因是，由焦点发出的波经抛物面反射后到达口径面的行程相等。

本实施方式的自补螺旋天线作为反射器，可以在毫米波波段作为其他天线的反射器。

具体实施方式三：下面结合图6至图10具体说明本实施方式。本实施方式举一个应用例子说明本发明的效果。该自补螺旋天线是四个螺旋天线臂1组成两对相对臂，它的结构参数如下：

D＝190mm d＝4mm W＝2mm

抛物线方程为X²＝200Z f＝50

应用CST(CST微波工作室，一种国际公认的商用仿真软件)对其进行仿真分析：输入阻抗设为237欧姆。得到S11(反射损耗)如图6所示，从该图可以看出：反射损耗S11＜-10dB可以认定天线在此输入阻抗基本实现匹配。如图7所示，此图是两对相对臂之间反相馈电产生的波束仿真效果图，该种波束为和波束，频率取为4GHz。如图9所示，此图是两对相对臂之间同相馈电产生的波束仿真效果图，这种波束为差波束，频率取为4GHz，输入阻抗设为187欧姆。

具体实施方式四：下面结合图11至图13具体说明本实施方式。本实施方式把实施方式三的自补螺旋天线作为反射器，应用圆喇叭作为馈源得到天线波束方向，其中图11是三维立体表示的天线波束方向，图12是极坐标系表示的天线波束方向，图13是三角坐标系表示的波束。

通过以上三个图可以看出，本发明的自补螺旋天线作为反射器，在增益倍数上达到了29.22dB，基本达到普通反射器的性能参数，能够作为反射器使用。

Claims

1.一种自补螺旋天线，其特征在于它由2n个螺旋天线臂(1)组成，每个螺旋天线臂(1)都为同样的阿基米德螺旋线形状，所述多个螺旋天线臂(1)的阿基米德螺旋线原点(O)都相同，多个螺旋天线臂(1)按顺时针或逆时针等角度排列，所述n为自然数，所述多个螺旋天线臂(1)所共在的面是内凹的抛物面且阿基米德螺旋线原点(O)位于抛物面的顶部中心。

2.根据权利要求1所述的一种自补螺旋天线，其特征在于所述的螺旋天线臂(1)选择为2个、4个、6个或8个。

3.如权利要求1所述的自补螺旋天线作为反射器的用途，其特征在于多个螺旋天线臂(1)所共在的抛物面的焦点作为辐射源的位置。