CN102931490B

CN102931490B - 一种轴向模圆柱螺旋天线

Info

Publication number: CN102931490B
Application number: CN201210428894.5A
Authority: CN
Inventors: 傅世强; 房少军; 周月
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102931490A

Abstract

本发明公开了一种轴向模圆柱螺旋天线，包括螺旋辐射体、介质支撑体、馈电匹配体、接地板和射频同轴接头；所述螺旋辐射体由铜管依次右向螺旋环绕形成圆柱形状，该螺旋辐射体由圆柱底面圆心起始沿径向延伸至底面圆周处后，沿轴向上升延伸形成变升角螺旋结构；所述介质支撑体固定设在所述接地板上面；所述馈电匹配体为倒L型微带结构，分为水平部和垂直部；所述螺旋辐射体的起始端设在粘附在介质支撑体上表面的水平部上，被介质支撑体托起；所述射频同轴接头垂直设在所述接地板上，该射频同轴接头内导体顶端与所述垂直部连接；所述射频同轴接头外导体与接地板连接；本发明设计灵活、物理结构简单、天线性能优良、应用广泛。

Description

一种轴向模圆柱螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种轴向模圆柱螺旋天线。

背景技术

天线作为射频通信的前端部件，在通信系统中占有重要地位，其合理的物理结构和优良的天线性能不仅是提高系统性能的保证同时也有利于节约成本，螺旋天线是一种利用导电性良好的金属制成的具有螺旋形状的天线，根据天线的主射方向不同，主要存在法向模和轴向模两种辐射模式，其中轴向模螺旋天线由于具有宽频带、高增益和低轴比的特点，使其在卫星通信中得到了广泛应用。众所周知，天线的尺寸基本决定了无线通信设备的大小，在不断追求无线通信设备小型化的同时，能够提高天线性能并且进一步减小天线的尺寸有着必要的现实意义；现有技术中有针对等螺距圆柱螺旋天线的设计首先根据中心频率选择合适周长和螺距，通过增加螺旋圈数来提高增益，这样会使得螺旋天线总高度增加；利用螺旋天线的电流截断效应，在几何上截去超过截断点的螺旋线部分，这样降低了天线高度，但少数的螺旋圈数使得天线的圆极化性能恶化；采用指数渐变螺距的天线结构虽然改善了天线的圆极化辐射特性，但尺寸较大且馈电结构复杂，没有考虑实际应用中对天线高度的限制。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种设计灵活、制作简单的轴向模圆柱螺旋天线。

本发明的技术手段如下：

一种轴向模圆柱螺旋天线，包括螺旋辐射体、介质支撑体、馈电匹配体、接地板和射频同轴接头；所述螺旋辐射体由铜管依次右向螺旋环绕形成圆柱形状，该螺旋辐射体由圆柱底面圆心起始沿径向延伸至底面圆周处后，沿轴向上升延伸形成变升角螺旋结构；所述介质支撑体固定设在所述接地板上面；所述馈电匹配体为倒L型微带结构，分为水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介质支撑体的侧面；所述螺旋辐射体的起始端设在粘附在介质支撑体上表面的水平部上，被介质支撑体托起；所述射频同轴接头垂直设在所述接地板上，所述接地板在射频同轴接头处设有通孔；所述射频同轴接头内导体底端穿过通孔，该射频同轴接头内导体顶端与所述垂直部连接；所述射频同轴接头外导体与接地板连接；

进一步地，所述螺旋辐射体的螺旋线参数方程为：X=R*cos(t)；Y=R*sin(t)；Z=R*tan{[α₀+(α₁-α₀)*(t/2πN)]*(π/180)}*t；其中R为螺旋线半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋线环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN；

进一步地，所述螺旋线半径R≈0.16λ，这样螺旋一圈的周长C≈λ,其中λ为螺旋天线中心频率所对应的波长；

进一步地，当t=2πN时螺旋天线总高度H=Z=R*tan[α₁*(π/180)]*t,螺旋天线总高度H限定时通过调整螺旋起始升角α₀使螺旋天线的圆极化辐射特性达到最优值；

进一步地，通过调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸实现天线阻抗匹配；

进一步地，所述通孔直径介于所述射频同轴接头内导体直径和外导体直径之间；

进一步地，所述螺旋辐射体的螺旋圈数N至少为2。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种轴向模圆柱螺旋天线，采用变升角螺旋结构，使得在限定天线高度情况下通过调整螺旋起始升角α₀获得最优的圆极化辐射性能，从而使得本发明兼有低剖面和高性能的特点；通过设有倒L型微带结构的馈电匹配体替代了传统天线的平面微带片，利用综合调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸能够实现天线阻抗的最佳匹配；本发明设计灵活、物理结构简单、天线性能优良、应用广泛。

附图说明

图1是本发明所述螺旋天线的结构示意图；

图2是本发明所述螺旋天线的侧视图；

图3是本发明所述螺旋天线的俯视图；

图中：1、螺旋辐射体，2、介质支撑体，3、馈电匹配体，4、接地板，5、射频同轴接头。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示的一种轴向模圆柱螺旋天线，包括螺旋辐射体1、介质支撑体2、馈电匹配体3、接地板4和射频同轴接头5；所述螺旋辐射体1由铜管依次右向螺旋环绕形成圆柱形状，该螺旋辐射体1由圆柱底面圆心起始沿径向延伸至底面圆周处后，沿轴向上升延伸形成变升角螺旋结构；所述介质支撑体2固定设在所述接地板4上面；所述馈电匹配体3为倒L型微带结构，分为水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介质支撑体2的侧面；所述螺旋辐射体1的起始端设在粘附在介质支撑体2上表面的水平部上，被介质支撑体2托起；所述射频同轴接头5垂直设在所述接地板4上，所述接地板4在射频同轴接头5处设有通孔；所述射频同轴接头5内导体底端穿过通孔，该射频同轴接头5内导体顶端与所述垂直部连接；所述射频同轴接头5外导体与接地板4连接；进一步地，所述螺旋辐射体的螺旋线参数方程为：X=R*cos(t)；Y=R*sin(t)；Z=R*tan{[α₀+(α₁-α₀)*(t/2πN)]*(π/180)}*t；其中R为螺旋线半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋线环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN；所述螺旋线半径R≈0.16λ，这样螺旋一圈的周长C≈λ,其中λ为螺旋天线中心频率所对应的波长；当t=2πN时螺旋天线总高度H=Z=R*tan[α₁*(π/180)]*t,螺旋天线总高度H限定时通过调整螺旋起始升角α₀使螺旋天线的圆极化辐射特性达到最优值；通过调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸实现天线阻抗匹配；所述通孔直径介于所述射频同轴接头内导体直径和外导体直径之间；所述螺旋辐射体的螺旋圈数N至少为2。本发明的螺旋辐射体采用中空的铜管构成；馈电匹配体由厚度为0.1mm的铜箔构成；介质支撑体由发泡材料构成。

本发明通过改变螺旋升角提升天线的圆极化辐射性能，通过调节馈电匹配体的尺寸改善天线的阻抗匹配，实现了在减小天线的尺寸的同时提高天线性能，制作简单、成本低廉，尤其在海事卫星通信方面的应用更加灵活，可以根据不同的要求进行参数优化。

本发明所述的这种轴向模圆柱螺旋天线，下面以L波段海事卫星通信应用为例进行说明；天线的工作中心频率接近1.6GHz，当满足螺旋一圈周长C近似等于中心波长λ，得到螺旋线半径R=30mm。螺旋辐射体采用变升角螺旋结构，实际应用中常常限定天线的总高度，假设螺旋天线总高度H=50mm，由当t=2πN时螺旋天线总高度H=Z=R*tan[α₁*(π/180)]*t，得到螺旋终止升角α₁=7°将为固定值，进而在限定天线高度情况下通过调整螺旋起始升角α₀便可改变天线的辐射性能，起始升角α₀的取值可以大于、小于或等于终止升角α₁，当α₀=α₁时即为传统的等螺距螺旋天线，为获得最优的圆极化辐射性能，通过电磁仿真优化得到α₀=0°时圆极化轴比最小；在获得了螺旋辐射体结构尺寸之后，通过设有倒L型微带结构的馈电匹配体对天线进行阻抗匹配，馈电匹配体的水平部长度l可以对天线工作频率进行微调，垂直部高度h的变化主要影响输入阻抗的实部，并且h增大，输入阻抗的实部减小，水平部和垂直部宽度w的变化主要影响输入阻抗的虚部，并且w增大，输入阻抗的虚部增大，综合调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸能够实现天线阻抗的最佳匹配，此时得到h=6mm，w=18mm，l=29mm，另外馈电匹配体对螺旋辐射体的辐射特性几乎无影响。

本发明提供的一种轴向模圆柱螺旋天线，采用变升角螺旋结构，使得在限定天线高度情况下通过调整螺旋起始升角α₀获得最优的圆极化辐射性能，从而使得本发明兼有低剖面和高性能的特点；通过设有倒L型微带结构的馈电匹配体替代了传统天线的平面微带片，利用综合调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸能够实现天线阻抗的最佳匹配；本发明设计灵活、物理结构简单、天线性能优良、应用广泛。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于包括螺旋辐射体(1)、介质支撑体(2)、馈电匹配体(3)、接地板(4)和射频同轴接头(5)；俯视情况下，所述螺旋辐射体(1)由铜管依次右向螺旋环绕形成圆柱形状，该螺旋辐射体(1)由圆柱底面圆心起始沿径向延伸至底面圆周处后，沿轴向上升延伸形成变升角螺旋结构；所述介质支撑体(2)固定设在所述接地板(4)上面；所述馈电匹配体(3)为倒L型微带结构，分为水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介质支撑体(2)的侧面；所述螺旋辐射体(1)的起始端设在粘附在介质支撑体(2)上表面的水平部上，被介质支撑体(2)托起；所述射频同轴接头(5)垂直设在所述接地板(4)上，所述接地板(4)在射频同轴接头(5)处设有通孔；所述射频同轴接头(5)内导体底端穿过通孔，该射频同轴接头(5)内导体顶端与所述垂直部连接；所述射频同轴接头(5)外导体与接地板(4)连接；

所述螺旋辐射体的螺旋线参数方程为：

X＝R*cos(t)；Y＝R*sin(t)；Z＝R*tan{[α₀+(α₁-α₀)*(t/2πN)]*(π/180)}*t；其中R为螺旋线半径、N为螺旋圈数、α₀为螺旋起始升角、α₁为螺旋终止升角、t为螺旋线环绕过程中弧度变化值，变化范围为0≤t≤2πN。

2.根据权利要求1所述的一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于所述螺旋线半径R≈0.16λ，这样螺旋一圈的周长C≈λ,其中λ为螺旋天线中心频率所对应的波长。

3.根据权利要求1所述的一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于当t＝2πN时螺旋天线总高度H＝Z＝R*tan[α₁*(π/180)]*t,螺旋天线总高度H限定时通过调整螺旋起始升角α₀使螺旋天线的圆极化辐射特性达到最优值。

4.根据权利要求1所述的一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于通过调节馈电匹配体的水平部和垂直部尺寸实现天线阻抗匹配。

5.根据权利要求1所述的一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于所述通孔直径介于所述射频同轴接头内导体直径和外导体直径之间。

6.根据权利要求1所述的一种轴向模圆柱螺旋天线，其特征在于所述螺旋辐射体的螺旋圈数N至少为2。