CN103000997B - L波段小型化螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种L波段小型化螺旋天线。本发明的天线包括螺旋组件和同轴电缆，螺旋组件为金属制成的螺旋结构，同轴电缆包括同轴电缆内芯和同轴电缆外皮；其还包括圆环组件和介质棒；圆环组件为金属材质，介质棒表面设有与螺旋组件尺寸相匹配的纹路，使螺旋组件恰好能嵌入介质棒表面；介质棒的一端面直径略小于介质棒其他部分直径，所述圆环组件恰好套在该端面上，同轴电缆内芯与螺旋组件靠近圆环组件的一端相连，同轴电缆外皮与圆环组件相连。本发明解决了螺旋天线尺寸过大的技术问题，取得了显著缩减天线空间体积的有益效果。

Description

L波段小型化螺旋天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种L波段小型化螺旋天线。

背景技术

目前实际应用的螺旋天线，一般多采用平板接地面、浅杯接地面或者锥形接地面，这些天线类型虽然结构简单、电气性能稳定，但由于受到天线接地面形式的限制，使得天线装配时，必须设有较大的接地面，导致螺旋天线尺寸过大，这不但增加了天线的空气阻力，也容易发生物理损坏；而且这些类型的天线螺旋直径多为λ₀/π(λ₀为中心频率所对应的波长)，螺旋本身的直径较大，天线独立使用或者作为反射面天线馈源使用时需要较大的空间，此外，其安装在无人机等非金属载体表面更会影响载体的气动特性。

发明内容

本发明需要解决螺旋天线尺寸过大的技术问题。

本发明的技术方案如下所述：

L波段小型化螺旋天线，包括螺旋组件和同轴电缆，螺旋组件为金属制成的螺旋结构，同轴电缆包括同轴电缆内芯和同轴电缆外皮；其还包括圆环组件和介质棒；其中，圆环组件为金属材质，介质棒表面设有与螺旋组件尺寸相匹配的纹路，使螺旋组件恰好能嵌入介质棒表面；介质棒的一端面直径略小于介质棒其他部分直径，所述圆环组件恰好套在该端面上，同轴电缆内芯与螺旋组件靠近圆环组件的一端相连，同轴电缆外皮与圆环组件相连。

作为优选方案，所述螺旋组件为由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的螺旋形结构，材料为铜；所述圆环组件为一个由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的圆环，材料为铜；所述介质棒为高介电常数介质棒，介电常数范围为9～20，材料为氧化铜。

作为进一步的优选方案，所述介质棒为高介电常数介质棒，介电常数范围为9.6，材料为99％氧化铜，介质棒长度为258mm，直径为39mm。

本发明的有益效果为：

(1)采用圆环组件取代现有大型接地面，显著缩减天线空间体积；

(2)天线表面设有螺旋组件，使得天线能够发射和接收圆极化电磁波，且带宽较宽，满足天线在L频段的极化及带宽要求；

(3)螺旋组件内部设有高介电常数的介质棒，天线尺寸随着介质棒介电常数的增大而减小，进一步缩减了天线的尺寸；

(4)本发明的天线结构灵活、安装方便，避免了物理损坏发生几率，减小了对于天线载体安全性的影响；

(5)本发明的天线能够安装在非金属载体表面或者完全嵌入载体内部，保持了载体良好的气动特性；

(6)本发明的天线的辐射场为典型定向辐射，可以作为反射面天线的馈源使用，体积小巧，馈电简单。

附图说明

图1是本发明的L波段小型化螺旋天线示意图；

图2是本发明的L波段小型化螺旋天线的螺旋组件及圆环组件示意图；

图3是本发明的L波段小型化螺旋天线的介质棒示意图；

图4是图1的馈电端口局部放大图；

图5是本发明的L波段小型化螺旋天线的驻波比；

图6是本发明的L波段小型化螺旋天线的轴线所在平面方向图；

图7是本发明的L波段小型化螺旋天线的轴线所在平面轴比；

图8是本发明的L波段小型化螺旋天线独立使用的示意图；

图9是本发明的L波段小型化螺旋天线在无人机上可安装部位示意图；

图10是本发明的L波段小型化螺旋天线安装在无人机机翼外部示意图；

图11是本发明的L波段小型化螺旋天线安装在无人机机翼内部示意图；

图12是本发明的L波段小型化螺旋天线作为抛物面馈源示意图。

图中：1-螺旋组件，2-圆环组件，3-介质棒，4-同轴电缆，41-同轴电缆外皮，42-同轴电缆内芯，5-介质托板，6-介质棍，7-第一介质螺钉，8-第二介质螺钉，9-无人机，91-无人机机头，92-.无人机机翼，10-第三介质螺钉，11-第四介质螺钉，12-第五介质螺钉，13-第六介质螺钉，14-金属抛物面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的L波段小型化螺旋天线进行详细说明。

实施例1

如图1～3所示，本发明的L波段小型化螺旋天线包括螺旋组件1、圆环组件2、介质棒3和同轴电缆4。其中，螺旋组件1由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的螺旋形结构，材料优选为铜；圆环组件2为一个由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的圆环，材料优选为铜；介质棒3可以为高介电常数介质棒，介电常数范围为9～20，优选为9.6，材料优选为99％氧化铜；同轴电缆4包括同轴电缆内芯42和环绕同轴电缆内芯42的同轴电缆外皮41，本实施例中的同轴电缆4为市售产品，选用西安恒达微波集团生产的SUJ-50-7-5型柔性低损电缆。

其中，介质棒3表面设有与螺旋组件1尺寸相匹配的纹路，使螺旋组件1恰好能嵌入介质棒3表面；介质棒3的一端面直径略小于介质棒3其他部分直径，所述圆环组件2恰好套在该端面上；同轴电缆4设置在介质棒3设有圆环组件2的一端下方，同轴电缆内芯42与螺旋组件1螺旋形结构的靠近圆环组件2的一端相连、同轴电缆外皮41与圆环组件2相连，形成馈电端口，如图4所示。

在本发明的L波段小型化螺旋天线中，螺旋组件1是起辐射作用的最主要部件，用于向空间辐射电磁波。当发射信号时，外接发射机的发射信号输入给同轴电缆4，同轴电缆4输出的能量激起螺旋组件1的表面电流，从而产生L频段圆极化辐射。由于用圆环组件2取代了传统螺旋天线的大型接地面，在很大程度上缩减了天线的空间体积；由于在螺旋组件1内部设有高介电常数介质棒3，进一步缩减了天线的尺寸。

当本发明的L波段小型化螺旋天线作为发射天线时，它通过同轴电缆4与外接发射机相连，天线作为发射机的负载，把从发射机得到的功率辐射到空间。在此过程中，存在天线与传输线阻抗匹配问题，阻抗匹配的好坏将影响功率传输的效率。驻波比是天线的一个重要性能参数，它反映了天线的阻抗特性，也决定了天线的阻抗带宽，一般工程应用要求天线驻波比小于2.5。如图5所示，本发明天线驻波比小于2.5的频率范围约为1.48GHz～1.65GHz，相对带宽约为11％。

天线的方向图用于表征天线辐射特性与空间角度的关系。完整的方向图是一个三维的空间图形，它是以天线相位中心为球心，在半径足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成。在实际的工作中，一般只需测得水平面和垂直面方向图即可。如图6所示，本发明的L波段小型化螺旋天线轴线所在平面方向图带宽为1.48GHz～1.6GHz，即在1.48GHz～1.6GHz频率范围内，天线波束指向均为圆环方向，频率为1.48GHz时天线最大增益为4.8dB，半功率点波束宽度为111度，频率为1.6GHz时天线最大增益为4dB，半功率点波束宽度为82度。

天线的极化用于描述天线辐射电磁波矢量空间指向。作为圆极化天线，轴比是衡量其极化性能好坏的重要指标，一般工程应用要求天线驻波比小于6dB。如图7所示，本发明的L波段小型化螺旋天线在1.48GHz～1.6GHz频率范围内，轴线所在平面最大功率点轴比均小于6dB。

天线电参数保持在规定的技术要求范围之内的工作频率范围即为天线的频带宽度。综合以上对于天线阻抗、方向图和轴比的分析，本实施例的天线工作频段为L波段，具体的频率范围为1.48GHz～1.6GHz，中心频率为1.54GHz，相对带宽为8％，介质棒3长度、即天线高度为258mm，介电棒3直径、即天线直径为39mm。传统螺旋天线的直径为λ₀/π，约为62mm，而且传统螺旋天线必须配备直径或边长至少为3λ₀/4，约为146mm的圆形或方形接地板。可见，本发明的L波段小型化螺旋天线大大缩减了天线的直径及空间体积。

实施例2

如图8所示，本实施例的L波段小型化螺旋天线可以在介质支架上独立使用。所述介质支架包括介质托板5和介质棍6，二者的材料可以选用玻璃钢，其尺寸可根据实际需求选取。安装时，将本发明的L波段小型化螺旋天线固定在介质托板5上。优选在介质棒3和介质托板5相对应位置设螺纹孔，通过第一介质螺钉7、第二介质螺钉8固定。

实施例3

如图9所示，本实施例的L波段小型化螺旋天线根据实际需求安装在无人机9的无人机机头91或无人机机翼92部位。如图10所示，本发明天线可以安装在无人机机翼92的表面，优选安装方式为将本发明的L波段小型化螺旋天线的介质棒3和无人机机翼92表面的相应位置设螺纹孔，通过第三介质螺钉10、第四介质螺钉11固定。此外，如图11所示，本发明天线还可以隐藏安装在无人机机翼92内部，优选安装方式为将本发明的L波段小型化螺旋天线放置于无人机机翼92内部，将天线的介质棒3和无人机机翼92的相应位置设螺纹孔，通过第五介质螺钉12、第六介质螺钉13固定。

实施例4

如图12所示，本发明的L波段小型化螺旋天线可以用作抛物面天线的馈源，所属抛物面天线的金属抛物面14材料可以选取金属铝，介质棒3可以向抛物面方向延长，介质棒3延长部分的表面不设纹路。将介质棒3和金属抛物面14通过螺钉固连，同轴电缆4可以顺着介质棒3的方向通过金属抛物面14后与发射机或者接收机相连。由于本发明的L波段小型化螺旋天线本身占用的体积空间小，其作为馈源天线，可以显著缩减抛物面天线的总体尺寸。

实施例5

本发明的L波段小型化螺旋天线可以作为阵列天线的单元使用。

Claims (8)

1.L波段小型化螺旋天线，包括螺旋组件(1)和同轴电缆(4)，螺旋组件(1)为金属制成的螺旋结构，同轴电缆(4)包括同轴电缆内芯(42)和同轴电缆外皮(41)，其特征在于：其还包括圆环组件(2)和高介电常数介质棒(3)；其中，圆环组件(2)为金属材质，介质棒(3)表面设有与螺旋组件(1)尺寸相匹配的纹路，使螺旋组件(1)恰好能嵌入介质棒(3)表面；介质棒(3)的一端面直径略小于介质棒(3)其他部分直径，所述圆环组件(2)恰好套在该端面上，同轴电缆内芯(42)与螺旋组件(1)靠近圆环组件(2)的一端相连，同轴电缆外皮(41)与圆环组件(2)相连。

2.根据权利要求1所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述螺旋组件(1)为由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的螺旋形结构，材料为铜。

3.根据权利要求1或2所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述圆环组件(2)为一个由横截面为方形的金属导线或中空金属管制成的圆环，材料为铜。

4.根据权利要求1或2所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述介质棒(3)为高介电常数介质棒，介电常数范围为9～20，材料为氧化铜。

5.根据权利要求4所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述介质棒(3)为高介电常数介质棒，介电常数范围为9.6，材料为99％氧化铜。

6.根据权利要求4所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述介质棒(3)长度为258mm，直径为39mm。

7.根据权利要求1所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述L波段小型化螺旋天线安装在无人机(9)的无人机机翼(92)部位：将L波段小型化螺旋天线的介质棒(3)和无人机机翼(92)表面的相应位置设螺纹孔，通过介质螺钉固定。

8.根据权利要求1所述的L波段小型化螺旋天线，其特征在于：所述L波段小型化螺旋天线用作抛物面天线的馈源，介质棒(3)向抛物面方向延长，介质棒(3)延长部分的表面不设纹路；将介质棒(3)和金属抛物面(14)相固连，同轴电缆(4)沿介质棒(3)的方向通过金属抛物面(14)后与发射机或者接收机相连。