CN102570009B - 一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双频段天线、四臂螺旋天线、圆极化天线、电磁场理论、微波技术和电波传播等技术领域，具体地说是一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，设有四个螺旋天线臂和馈电巴伦，其特征在于所述馈电巴伦为直线渐变微带巴伦结构，所述馈电巴伦将同轴线的50欧姆输入阻抗变换为四臂螺旋平衡端口处的输入阻抗50欧姆，所述馈电巴伦经微带电路加工技术印制于介质基板上，其中渐变的微带线和金属导体地板分别印制于介质基板的两侧，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为4.6，介质基板上的铜箔厚度为0.036毫米，与现有技术相比，具有结构合理、成本低、性能稳定等显著的优点。
Description
技术领域
本发明涉及双频段天线、四臂螺旋天线、圆极化天线、电磁场理论、微波技术和电波传播等技术领域，具体地说是一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置。
背景技术
四臂螺旋天线（Quadrifilar Helix Antenna，QHA）是一种具有圆极化和宽波束特性的天线，它广泛应用于卫星通信和全球定位系统等无线电技术领域。四臂螺旋天线的优点在于结构紧凑、成本低廉、近场辐射小、方向图为心脏形。谐振式四臂螺旋天线形式它由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂长度约为 (M为整数)，为工作波长；四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90度；非馈电端开路时取M为奇数，短路时取M为偶数。四臂螺旋天线可以看作由两个双臂螺旋组成，这两个双臂螺旋需要以90度相位差馈电。谐振式四臂螺旋天线的结构参数可由下式确定:
（1）
式中，为螺旋的轴向长度，为螺旋臂的长度，为螺旋的半径，为螺旋的匝数。的定义为：当为奇数时，；当为偶数时，。
近年来，四臂螺旋天线的研究多集中于天线结构的小型化、多模工作、印刷式天线以及馈电结构等方面。文献[1]（付世强，房少军，路凯，王钟葆. 船载海事卫星通信印刷四臂螺旋天线设计. 舰船电子工程，2010年，第30卷第2期：180-183.） 提出一种集成新型馈电网络结构的印刷四臂螺旋天线，该天线在系统要求的工作频带内增益高于2dB，半功率波瓣宽度达到140°，上半空间主要区域轴比小于3dB。文献[2]（王家勇，王昌复，梁旭文，杨根庆. 低轨道小卫星通信中谐振式四臂螺旋天线的应用研究. 电子学报，2002年第30卷第12期：1865-1866.）从低轨道小卫星通信系统的要求出发，设计了两种实际的谐振式四臂螺旋天线，天线采用了新颖的90度自相移结构及平衡馈电结构。文献[3]（沈仁强，尹应增，马金平，赵娜. 圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计. 微波学报，2007年第23卷第5期：14-18.） 为满足低轨道卫星接收天线的技术要求，应用无限巴伦结合宽带功分器的馈电网络，设计并制作了一种四臂螺旋天线，在要求的频率范围内波束宽度超过180度。文献[4]（陈晨，张凯，韦高，许家栋. 星载宽带宽波束四臂螺旋天线设计. 系统仿真学报，2009年4月，第21卷第7期：2065-2067.） 设计了一种工作于1.57542GHz的圆极化圆锥印刷四臂螺旋天线，该天线在中心频率处的3dB波瓣宽度约为200°，满足半球覆盖特性， 3dB轴比带宽约为0. 35GHz。
文献[5]（Josh Rabemanantsoa, Ala Sharaiha. Size Reduced Multi-Band Printed Quadrifilar Helical Antenna. IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol.59, No. 9, September 2011, pp.3138-3143.）提出了一种设计双波段折叠式印刷四臂螺旋天线的新方法，该方法将轴向尺寸缩小了43%。文献[6]（Yu-Shin Wang, Shyh-Jong Chung. A Miniature Quadrifilar Helix Antenna for Global Positioning Satellite Reception. IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol.57, No. 12, December 2009, pp.3746-3751.）提出了一种非常紧凑结构的四臂螺旋天线，该天线采用中空的陶瓷棒作为介质加载，以减小螺旋天线的尺寸，相对于空气加载的四臂螺旋天线，其尺寸减小2.7%，工作频率为1.575GHz时，其球面方向图的波束宽度为150度。文献[7]（Yoann Letestu, Ala Sharaiha. Broadband Folded Printed Quadrifilar Helical Antenna. IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol.54, No. 5, May 2006, pp.1600-1604）采用加载短寄生螺旋的方法设计了印刷式四臂螺旋天线，展宽了频带。文献[8]（M.G. Ibambe, Y. Letestu, A. Sharaiha. Compact printed quadrifilar helical antenna. Electronics Letters, 2007, Vol. 43, No. 13, pp. 697 - 698）采用曲折线技术减小了印刷四臂螺旋天线的轴向尺寸，相对于传统的印刷四臂螺旋天线，尺寸减小了33%。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，该天线采用的巴伦是直线渐变微带线-平行双线巴伦，它完成由不平衡的同轴电缆端口到平衡的四臂螺旋振子臂之间的转换，同时也具有阻抗变换的功能，该天线装置的特点是可以工作于双波段，具有宽波束和近似圆极化的辐射特性，馈电结构简单，成本低廉。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，设有四个螺旋天线臂和馈电巴伦，其特征在于所述馈电巴伦为直线渐变微带巴伦结构，所述馈电巴伦将同轴线的50欧姆输入阻抗变换为四臂螺旋平衡端口处的输入阻抗50欧姆，所述馈电巴伦经微带电路加工技术印制于介质基板上，其中渐变的微带线和金属导体地板分别印制于介质基板的两侧，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为4.6，介质基板上的铜箔厚度为0.036毫米。
本发明中所述馈电巴伦的介质基板的正面印刷设有平行双线的金属导带、金属环孔、过孔、直线渐变的微带线的信号传输用的金属导带以及均匀微带线部分的信号传输用的金属导带，介质基板的底面印刷设有平行双线的金属导带、金属圆环、过孔、直线渐变的微带线的金属地板、均匀微带线部分的金属地板。
本发明中介质基板的宽度，线性渐变部分的长度，均匀微带线部分的长度，微带线端口和金属圆环中心之间的距离为，馈电结构中心处的金属圆环用来焊接两个螺旋臂，其内外半径分别为4毫米和6毫米。
本发明中所述四个螺旋臂等长且均为一圈，它们组成两个正交的辐射单元。每个螺旋的半径为28毫米，导线直径为1.3毫米，四臂螺旋天线的高度为75毫米。
综上所述，本发明提出一种采用宽带微带线-平行双线巴伦馈电的四臂螺旋天线方案，该天线可以实现不平衡的同轴馈电到平衡的螺旋臂之间的转换和阻抗变换，在辐射特性上具有近似圆极化和双波段的特征，同时，该天线还具有结构紧凑、成本低廉的优点，适合于实际应用，因此，本发明具有显著的实际工程意义。
附图说明：
附图1为本发明中馈电巴伦的主视图。
附图2为本发明中馈电巴伦的后视图。
附图3为本发明的结构示意图。
附图4为本发明输入电压驻波比测试结果图。
附图5为本发明在0.7GHz时的辐射方向图测试结果。
附图6为本发明在1.33GHz时的辐射方向图测试结果。
附图标记：平行双线的金属导带1、金属圆环2、过孔3、直线渐变的微带线的信号传输用的金属导带4、均匀微带线部分的信号传输用的金属导带5、直线渐变的微带线的金属地板6、均匀微带线部分的金属地板7、介质基板8、螺旋天线臂9、馈电巴伦10。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
如附图3所示，本发明提出了一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，设有四个螺旋天线臂9和馈电巴伦10，其特征在于所述馈电巴伦10为直线渐变微带巴伦结构，所述馈电巴伦10将同轴线的50欧姆输入阻抗变换为四臂螺旋平衡端口处的输入阻抗50欧姆，所述馈电巴伦10经微带电路加工技术印制于介质基板上，其中渐变的微带线和金属导体地板分别印制于介质基板的两侧，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为4.6，介质基板上的铜箔厚度为0.036毫米，其中如附图1所示，所述馈电巴伦的介质基板的正面印刷设有平行双线的金属导带1、金属环孔2、过孔3、直线渐变的微带线的信号传输用的金属导带4以及均匀微带线部分的信号传输用的金属导带5，如附图2所示，介质基板8的底面印刷设有平行双线的金属导带1、金属圆环2、过孔3、直线渐变的微带线的金属地板6、均匀微带线部分的金属地板7，其中，上述介质基板8的宽度，线性渐变部分的长度，均匀微带线部分的长度，微带线端口和金属圆环中心之间的距离为，馈电结构中心处的金属圆环用来焊接两个螺旋臂，其内外半径分别为4毫米和6毫米，本发明中所述四个螺旋天线臂等长且均为一圈，它们组成两个正交的辐射单元，每个螺旋的半径为28毫米，导线直径为1.3毫米，四臂螺旋天线的高度为75毫米。
对上述双波段四臂螺旋天线进行了测试，输入电压驻波比（VSWR）的测试采用矢量网络分析仪，测试结果如图4所示，由图可见，该天线在0.695GHz和1.33GHz附近谐振，其输入驻波比分别约为1.83和1.48，在1.33GHz时的输入驻波比约为3.14。
在微波暗室内，采用天线远场测试系统对该正弦天线的辐射方向图进行了测试，图5和图6给出了该天线在0.7GHz和1.33GHz时的方位和俯仰平面的方向图，其中图5为0.7GHz时的功率方向图，图6为1.33GHz时的功率方向图；由此图可见，研制的双波段四臂螺旋天线具有较宽的频带宽度和近似的对称特性，适合于宽角度探测；0.7GHz时方位和俯仰平面的半功率波束宽度分别约为92度和96度；1.33GHz时方位和俯仰平面的半功率波束宽度分别约为88度和99度。该天线在1.7GHz和1.33GHz时的增益分别为0.75dBi和1.73dBi。该天线在1.7GHz和1.33GHz时的主波束方向的圆极化轴比分别约为4.05dB和2.33dB，因此，该天线具有近似圆极化的辐射特性。但是，于天线的加工和制作上的不理想，该天线的性能还有进一步改进的空间。
综上所述，本发明提出一种采用宽带微带线-平行双线巴伦馈电的四臂螺旋天线方案，该天线可以实现不平衡的同轴馈电到平衡的螺旋臂之间的转换和阻抗变换，在辐射特性上具有近似圆极化和双波段的特征，同时，该天线还具有结构紧凑、成本低廉的优点，适合于实际应用，因此，本发明具有显著的实际工程意义。
Claims (3)
1.一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，设有四个螺旋天线臂和馈电巴伦，其特征在于所述馈电巴伦为直线渐变微带巴伦结构，所述馈电巴伦将同轴线的50欧姆输入阻抗变换为四臂螺旋平衡端口处的输入阻抗50欧姆，所述馈电巴伦经微带电路加工技术印制于介质基板上，其中渐变的微带线和金属导体地板分别印制于介质基板的两侧，介质基板的厚度为1毫米，相对介电常数为4.6，介质基板上的铜箔厚度为0.036毫米，
所述馈电巴伦的介质基板的正面印刷设有平行双线的金属导带、金属环孔、过孔、直线渐变的微带线的信号传输用的金属导带以及均匀微带线部分的信号传输用的金属导带，介质基板的底面印刷设有平行双线的金属导带、金属圆环、过孔、直线渐变的微带线的金属底板、均匀微带线部分的金属底板，平行双线的金属导带分别设于介质基板的正面和底面。
2.根据权利要求1所述的一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，其特征在于介质基板的宽度 ，线性渐变部分的长度，均匀微带线部分的长度，微带线端口和金属圆环中心之间的距离为，馈电结构中心处的金属圆环用来焊接两个螺旋臂，其内外半径分别为4毫米和6毫米。
3.根据权利要求2所述的一种基于双波段紧凑型巴伦馈电的四臂螺旋天线装置，其特征在于所述四个螺旋天线臂等长且均为一圈，它们组成两个正交的辐射单元，每个螺旋的半径为28毫米，导线直径为1.3毫米，四臂螺旋天线的高度为75毫米。
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