CN102394336A - 一种支节加载螺旋天线 - Google Patents

Abstract

一种支节加载螺旋天线，天线的螺旋辐射体(1)为支节加载螺旋单元，支节为径向向内的U型支节加载，相邻支节正交成90°；介质支撑桶(3)穿过螺旋辐射体(1)的螺旋中心，螺旋辐射体(1)的支节加载部分与介质支撑桶(3)连接固定，螺旋辐射体(1)底端与匹配馈电段(2)一端连接，匹配馈电段(2)另一端馈电点部分通过TNC射频同轴连接器内导体连接馈电，反射板(4)在馈电点处预留圆孔，TNC射频同轴连接器内导体穿过预留圆孔与馈电点相连，TNC射频同轴连接器外导体与反射板(4)相连，介质支撑桶(3)与反射板(4)固定。本发明克服现有技术的不足，具有小型化、圆极化、能够满足有限空间内组阵的特点。

Description

一种支节加载螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种小型化圆极化天线，特别是涉及一种基于螺旋辐射体U型内向加载、由下向上呈圆锥渐变结构以及双指数形式匹配馈电段来实现整个馈源轴向高度、径向尺寸的减小和宽频带匹配，属于天线技术领域。

背景技术

UHF频段卫星由于其自身的特点一直是国内外卫星发展的一个关键组成部分。由于UHF频段的信号相对其它频段链路损耗小，即使在暴风雨的天气，由雨衰所造成的损耗也是可以忽略的，此外在海洋、丛林地带以及城市内，UHF频段信号衰减明显的小于高频段信号。所以在比较恶劣的环境条件下，当高频段卫星系统无法保证正常的通信服务条件下，UHF频段卫星仍可以提供有效的链接通路，保障通信系统工作顺利进行。因此UHF频段卫星的研制是未来通信发展的一个方向。

同时，近年来LEO、MEO和GEO移动通信卫星系统受到了广泛的重视，以便小型化地面移动载体通信终端设备的使用。而实现这些要求的关键技术之一是由大型可展开反射器和馈电系统组成高性能卫星天线系统，该系统能够产生多个波束、实现频率的多次复用、提高天线的增益、具有较强的控制波束指向和改变波束形状的能力，并可根据通信容量的变化控制功率的分配。

为了产生多个波束，大型可展开反射器的照射源为由若干个阵元组成的馈源阵。为方便馈源阵组阵以及减少阵元之间互耦的影响，馈电单元除了要满足一定的电性能外，在结构上对其径向尺寸和轴向高度都有严格的要求，否则单元与卫星风罩就会发生干涉导致无法组阵，这些都要求馈源尺寸要尽量小。

目前UHF频段的馈源多为螺旋结构，因为它是一种具有较高增益和高辐射效率的天线形式，它的阻抗和辐射性能可以在较宽频带内满足特定的设计要求。但是UHF频段由于频率较低，导致馈源径向尺寸和轴向高度通常较大，组阵后无法适应有限的卫星平台和有限的运载平台。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型化、圆极化、能够满足有限空间内组阵的螺旋天线。

本发明的技术解决方案是：一种支节加载螺旋天线，包括螺旋辐射体、匹配馈电段、介质支撑桶和反射板；所述的螺旋辐射体为支节加载螺旋单元，支节为径向向内的U型支节加载，相邻支节正交成90°；介质支撑桶穿过螺旋辐射体的螺旋中心，螺旋辐射体的支节加载部分与介质支撑桶连接固定，螺旋辐射体底端与匹配馈电段一端连接，匹配馈电段另一端馈电点部分通过TNC射频同轴连接器内导体连接馈电，反射板在馈电点处预留圆孔，TNC射频同轴连接器内导体穿过预留圆孔与馈电点相连，TNC射频同轴连接器外导体与反射板相连，介质支撑桶与反射板固定。

所述的螺旋辐射体为支节加载螺旋单元呈圆锥渐变结构，圆锥底端最大半径R＝0.11λ～0.15λ，顶端最小半径r＝0.7R～0.9R；其中λ为天线所在频段最低端的波长。

所述的螺旋辐射体为金属导体，表面镀银。

所述的匹配馈电段采用的半径呈双指数形式渐变厚度为1mm～3mm的金属导体。

所述的匹配馈电段的内半径以指数方程r1＝R＊exp(d1＊t)变化，外半径以指数方程r2＝R＊exp(d2＊t)变化，其中t的取值是0～(1.5π)，R为螺旋辐射体最低端半径，d1取值范围-0.1944～-0.1084，d2取值范围0.0714～0.0997。

所述的介质支撑桶采用的聚酰亚胺材料的圆环柱体。

所述的圆环柱体的壁厚为1mm～3mm。

所述的反射板采用的壁厚为1mm～3mm的圆形柱体，表面镀银。

本发明的设计原理：螺旋天线是一种可以实现圆极化的行波天线，在其背后加反射地板可以实现单向辐射，广泛应用于UHF、L、S频段，既可以作为独立天线，也可以作为反射器的初级馈源使用。本发明对传统的UHF频段轴向模螺旋天线进行改造，改变螺旋辐射体的形状，并增加薄片式匹配馈电段，对UHF频段内天线的增益、轴比和驻波等电性能指标作为目标进行结构参数优化。本发明通过U型支节加载螺旋辐射体结合圆锥渐变结构和新型双指数匹配段的设计方案，经过合理的结构组合与相关参数的选取，实现了在UHF频段具有良好的电气性能和紧凑的结构性能。

具体设计思路如下：为了达到螺旋天线径向尺寸和轴向高度的减小，每圈螺旋采用4个U型支节加载部分，相邻支节正交成90°，这样可使每圈螺旋的总周长保持不变而半径减少，因此天线的增益没有损失。采用支节加载后能使螺旋天线半径减小，但为了满足螺旋天线轴向辐射要求，螺旋辐射体中的螺距角α与传统螺旋天线相比要进一步缩小，这样就能减小螺距S，因此整个支节加载螺旋辐射体的纵向高度能够降低。

螺旋辐射体采用圆锥渐变的结构形式，通过调整螺旋渐变形式和支节加载部分的宽度和深度，使得螺旋天线的增益和轴比达到最优，使其能够满足收发宽频带高增益和低轴比要求。螺旋辐射体通过一段双指数形式匹配馈电段进行馈电，馈电段始端与螺旋辐射体最底端相连，馈电段终端馈电点处采用50Ω的TNC射频同轴连接器馈电，这样可以实现宽频带匹配馈电，得到较优的驻波比特性。介质支撑桶采用的聚酰亚胺材料的圆环柱体，螺旋辐射体支节加载部分与其通过螺钉连接固定，反射板采用圆形柱体，提供螺旋辐射体轴向辐射。最终设计的支节加载圆锥渐变螺旋馈源在径向尺寸和纵向高度得到了明显地减小，电性能满足系统使用要求。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过对传统UHF频段螺旋天线结构进行改造，在每圈螺旋中采用U型径向向内的加载方式减小了径向尺寸，为保证螺旋天线轴向辐射特性，要减小螺旋辐射体的螺距S，因此有效地降低了整个螺旋天线的轴向高度，通过调整U型加载部分的宽度和长度，可以在整个收发工作频带内获得良好增益和轴比特性，即保持了原有UHF频段螺旋天线的电性能，又获得了紧凑的结构形式；

(2)本发明将圆锥渐变结构引入到支节加载螺旋辐射体中，通过调整圆锥渐变结构的上下半径，可以拓展整个天线的阻抗带宽，进一步获得良好的增益和轴比特性。

(3)本发明通过一段新型双指数形式匹配馈电段对螺旋辐射体进行馈电，可以实现螺旋天线的宽频带匹配馈电，能够改善天线的阻抗带宽，获得整个天线优良的驻波比。

(4)本发明采用聚酰亚胺材料的介质支撑桶对螺旋辐射体进行固定，其损耗较小，对螺旋天线的增益影响不大，并且还能够满足高低温环境的使用需要，为螺旋辐射体提供足够的刚度。

(5)本发明实现方法不仅可以用于作为UHF频段小型化螺旋天线的设计，也可以用于L和S频段等需要小型化天线的设计。

(6)本发明原理简单，设计容易，具有应用方便、性能优良、结构紧凑等实用优点，回避了传统低频螺旋天线尺寸大的不利方面，而该UHF频段小型化螺旋天线基于自身方案特点，所应用的基本技术较为成熟、便于工程化应用等特点，具有很强的竞争力。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明圆锥渐变螺旋辐射体结构示意图；

图3为本发明双指数匹配馈电段结构示意图；

图4为本发明发射中心频率辐射和轴比方向图仿真结果；

图5为本发明接收中心频率辐射和轴比方向图仿真结果；

图6为本发明发射中心频率辐射和轴比方向图仿真结果；

图7为本发明接收中心频率辐射和轴比方向图实测结果；

具体实施方式

如图1所示，本发明由螺旋辐射体1、匹配馈电段2、介质支撑桶3和反射板4组成。螺旋辐射体1是支节加载圆锥渐变螺旋单元，实现圆极化辐射，匹配馈电段2保证了螺旋天线收发共用宽频带匹配馈电，介质支撑桶3提供螺旋辐射体连接固定作用，反射板4是一金属反射板，可以保证螺旋天线单向轴向模辐射。

本发明的螺旋辐射体1采用螺旋支节加载圆锥渐变结构，材料为金属导体镀银，如图2所示，其结构参数包括了螺旋最底端半径R11，螺旋最顶端半径r12，螺距角α13，螺距S14以及支节加载部分15。支节加载部分15为U型结构，一个U型支节加载部分包括了两个平行指向介质支撑桶3外表面深度为L151的导体和一个与介质支撑桶3通过螺钉固定的宽度为W152的导体共同构成。每圈螺旋有4个U型支节加载部分，相邻支节正交成90°，这样可使每圈螺旋的总周长保持不变而半径减少。采用支节加载后螺旋天线半径减小，螺距角α13与传统螺旋天线相比要进一步缩小，这样会减小螺距S14，因此整个支节加载螺旋纵向高度能够显著降低。

圆锥渐变结构的渐变方式是保持螺距角α13和螺距S14为常数(螺旋角α13取值范围7°～9°，螺距S14取值范围为0.08λ～0.1λ)，以天线正前方增益大于9dBi和正前方轴比小于3dB为目标函数对最底端半径R11、最顶端半径r12，支节加载深度L151和支节加载宽度W152进行参数优化选择。为保证螺旋天线轴向最大辐射，螺旋辐射体1最底端半径R11取值0.11λ～0.15λ，螺旋支节加载部分15中的深度L151取值0.4R11～0.6R11，宽度W152取值0.08R11～0.1R11，螺旋最顶端半径r12取值范围为0.7R11～0.9R11，最终选择合适的结构参数，螺旋天线能够在收发宽频带内满足高增益和低轴比的电性能要求。

螺旋辐射体1通过一段双指数形式匹配馈电段2进行馈电，如图3所示。匹配馈电段2内半径以指数方程r1＝R＊exp(d1＊t)变化，外半径以指数方程r2＝R＊exp(d2＊t)变化，其中t的取值是0～(1.5π)，R为螺旋辐射体1最低端半径11，即圆锥底端最大半径。d1取值范围-0.1944～-0.1084，d2取值范围0.0714～0.0997，馈电段始端21与螺旋辐射体1通过焊接方式相连，然后以指数渐变为宽度为R＊[exp(d2＊1.5π)-exp(d1＊1.5π)]、厚度为约为1mm～3mm的扁状铝材镀银导体，馈电段终端馈电点22位于R＊[exp(d2＊1.5π)+exp(d1＊1.5π)]/2的位置处，与50Ω的TNC射频同轴连接器内导体42通过焊接方式连接，反射板4预留直径为8.1mm圆孔，TNC射频同轴连接器外导体41与反射板4相连，TNC射频同轴内导体42穿过预留圆孔与馈电点22相连，以螺旋馈源的驻波为目标函数，通过合理的选择d1和d2，可以实现宽频带匹配馈电，使得螺旋天线的驻波比达到最优。

介质支撑桶3采用的聚酰亚胺材料的壁厚约为1mm～3mm的圆环柱体。所述的反射板4采用的壁厚约为1mm～3mm的圆形柱体，表面镀银。

实施例

螺旋辐射体1采用螺旋支节加载圆锥渐变结构，材料为铝材镀银，匹配馈电段2内半径以指数方程r1＝108.3＊exp(-0.1296＊t)变化，外半径以指数方程r2＝108.3＊exp(0.0787＊t)变化，馈电段始端21与螺旋辐射体1通过焊接方式相连，以指数渐变为宽度为100mm、厚度为2mm的扁状铝材镀银导体，反射板4预留直径为8.1mm圆孔。TNC射频同轴连接器的阻抗50Ω。

本发明的电性能设计结果见图4、图5，实测结果见图6、图7。其中，图4(a)(b)分别为发射中心频率辐射和轴比方向图仿真结果，仿真软件采用Ansoft HFSS，图4(a)中左侧框中m1，m2，m3分别表示天线在某个方位角度θ位置上的增益值，其中X表示天线方位角度θ，Y表示天线在该角度上的增益值。图4(a)中右侧框中从上至下分别表示天线在0°、45°和90°切面上方位角度θ从-180°到+180°变化的增益曲线类型。图4(b)中左侧框中m1，m2，m3分别表示天线在某个方位角度θ位置上的轴比值，其中X表示天线方位角度θ，Y表示天线在该角度上的轴比值。图4(b)中右侧框中从上至下分别表示天线在0°、45°和90°切面上方位角度θ从-180°到+180°变化的轴比曲线类型。图5(a)(b)分别为接收中心频率辐射和轴比方向图仿真结果。图6(a)(b)分别为发射中心频率辐射和轴比方向图实测结果；图7(a)(b)分别为发射中心频率辐射和轴比方向图实测结果。

从图中可以看到，天线发射中心频率实测最差结果为：轴比在±34°内小于3dB，峰值增益为9.23dBi。天线接收中心频率实测最差结果为：轴比在±34°内小于3dB，峰值增益为9.42dBi，达到了预期效果。

新型支节加载圆锥渐变螺旋天线与传统螺旋天线在电性能近似的条件下进行了尺寸的对比，见下表。

表1本发明最终与传统螺旋天线的尺寸对比结果

最终设计的支节加载圆锥渐变螺旋天线的直径最大216.4mm，高度最大为700mm，而要达到相同电性能传统螺旋天线的直径最大为274.8mm，高度最大为1050mm，经过比较可知新型支节加载螺旋天下在纵向高度和径向尺寸比传统螺旋天线减小了1/3和1/5左右，取得小型化的良好效果。

本发明非常好地解决了UHF频段螺旋天线组阵时结构容易与卫星风罩发生干涉的问题，创造性地采用了支节加载圆锥渐变螺旋结构，有效地减少了径向尺寸和纵向高度，并创造性地采用了双指数形式匹配馈电段改善了天线的阻抗性能，最终整个天线的电气性能优良并且具有体积小的结构性能，使得单元天线组阵成为可能。

本发明获得了比传统螺旋天线更紧凑的结构特性，是一种很实用的小型化天线，可以广泛应用到对结构尺寸要求较高的各种场合，该天线基于自身方案特点，具有原理简单和性能优良等应用特点，且其体积小便于在星上安装，在高性能圆极化多波束天线馈源阵列中，具有很强的实用性和市场竞争力。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种支节加载螺旋天线，其特征在于：包括螺旋辐射体(1)、匹配馈电段(2)、介质支撑桶(3)和反射板(4)；所述的螺旋辐射体(1)为支节加载螺旋单元，支节为径向向内的U型支节加载，相邻支节正交成90°；介质支撑桶(3)穿过螺旋辐射体(1)的螺旋中心，螺旋辐射体(1)的支节加载部分与介质支撑桶(3)连接固定，螺旋辐射体(1)底端与匹配馈电段(2)一端连接，匹配馈电段(2)另一端馈电点部分通过TNC射频同轴连接器内导体连接馈电，反射板(4)在馈电点处预留圆孔，TNC射频同轴连接器内导体穿过预留圆孔与馈电点相连，TNC射频同轴连接器外导体与反射板(4)相连，介质支撑桶(3)与反射板(4)固定。

2.根据权利要求1所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的螺旋辐射体(1)为支节加载螺旋单元呈圆锥渐变结构，圆锥底端最大半径R＝0.11λ～0.15λ，顶端最小半径r＝0.7R～0.9R；其中λ为天线所在频段最低端的波长。

3.根据权利要求1或2所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的螺旋辐射体(1)为金属导体，表面镀银。

4.根据权利要求1所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的匹配馈电段(2)采用的半径呈双指数形式渐变厚度为1mm～3mm的金属导体。

5.根据权利要求4所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的匹配馈电段(2)的内半径以指数方程r1＝R＊exp(d1＊t)变化，外半径以指数方程r2＝R＊exp(d2＊t)变化，其中t的取值是0～(1.5π)，R为螺旋辐射体(1)最低端半径，d1取值范围-0.1944～-0.1084，d2取值范围0.0714～0.0997。

6.根据权利要求1所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的介质支撑桶(3)采用的聚酰亚胺材料的圆环柱体。

7.根据权利要求6所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的圆环柱体的壁厚为1mm～3mm。

8.根据权利要求1所述的一种支节加载螺旋天线，其特征在于：所述的反射板(4)采用的壁厚为1mm～3mm的圆形柱体，表面镀银。

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