CN103490153A - 超小型超宽带螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种应用于通信技术领域的超小型超宽带螺旋天线主要包括辐射器、金属腔、馈电巴伦、馈电接头和吸波材料，其中，辐射器包括平面螺旋线、纵向螺旋线和介质支撑，该超小型超宽带螺旋天线通过一端封闭的空心圆柱体状介质支撑将平面螺旋线和纵向螺旋线结合起来，在增加天线带宽的同时实现天线的小型化；通过在纵向螺旋线的末端各用一个电阻和天线金属腔相连，改善天线的低频驻波和方向图；通过在金属腔内填充一定的吸波材料改善天线频带内的方向图和圆极化性能；通过增加天线罩提高天线的使用稳定性和寿命。该超小型超宽带螺旋天线兼具超宽带、圆极化、宽波瓣、小型化等特性，具有广阔的使用前景。

Description

超小型超宽带螺旋天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种新型的超小型超宽带螺旋天线。

背景技术

随着通信技术的发展，各种各样的电子设备已利用了电磁场的绝大部分频带；随着宽带系统的出现，更要求天线具有宽带甚至超宽带特性，同时，随着超宽带通信、雷达、成像等领域的发展，需要设计出新型小型化甚至是超小型化的超宽带天线。

目前具有超宽带性能的天线类型主要有喇叭天线、抛物面天线、维瓦尔第天线、对数周期天线、分形天线等。相比于这些超宽带天线，非频变天线表现出其自身具有的独特性能，如稳定的输入阻抗，小型化，宽波瓣，圆极化等特性，这些特性使得该类型天线在某些特定场合表现出重大意义和使用价值。

非频变天线主要分为三种：平面等角螺旋天线、平面阿基米德螺旋天线和圆锥对数螺旋天线，这几类天线的所需的最小尺寸都是由所需要辐射的最低频率决定，如何在满足频带各项性能的要求下最大限度的减小尺寸是该类天线研究的热点。在公告号为CN102035075A的“平面螺旋天线小型化设计的新方法”的专利中通过将常规的螺旋天线贴片分割成若干小片段，并将这些金属小片段在介质板上下层间隔放置，通过金属探针将上下两层的贴片片段连通，通过增加金属探针的数量，天线的谐振频点下降，以此来缩减天线的尺寸。但该专利中天线频带较窄，没有研究其在超宽带上的性能，并且该天线为双向辐射，无法满足实际应用的要求。在公告号为CN101394020A的“带背腔的超宽带螺旋天线”的专利中利用平面等角螺旋作为其辐射部分，将抛物面曲面作为金属背腔，从而获得较高的增益，但该专利主要集中在讨论如何增高超宽带平面螺旋天线的增益，并不关心其圆极化特性，对如何将天线横截面尺寸小型化也没有进行深入研究。在公告号为CN201623259U的“复合加载的平面螺旋天线”的专利中介绍了一种实现平面螺旋天线小型化的设计方法，该天线在螺旋的起始传输段使用蝶形迅速过渡到工作频率，以减小了传输段的长度，降低传输损耗；螺旋的有效辐射段采用阿基米德螺旋，保证平面螺旋天线较好的圆极化辐射特性；螺旋的外圈采用曲线锯齿加载，增大了螺旋天线的有效周长，以改善低频段的辐射效果，实现了在5：1带宽范围内有较好的辐射性能，但该天线横向尺寸为0.33个最大波长（对应工作频段最低频率的波长），并且在低频段圆极化轴比特性较差，需作进一步改进。在公告号为CN201570581U的“一种超宽带圆极化天线”的专利中将天线辐射部分设计为阿基米德螺旋状铜线，反射腔为一端封闭的空心金属圆柱体，圆柱体的内壁覆盖吸波材料且吸波材料垂直于圆柱体中轴线的切面呈连续劈尖形状，位于反射腔底部的稀薄材料呈圆台状，该专利主要解决了阿基米德螺旋天线后向辐射和辐射效率的问题，未考虑天线的小型化问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有非频变天线技术中天线尺寸和性能不能兼顾的问题，提供一种兼具超宽带、圆极化、宽波瓣、小型化等特性的超小型超宽带螺旋天线。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超小型超宽带螺旋天线，包括辐射器、金属腔、馈电巴伦、馈电接头和吸波材料，所述辐射器包括平面螺旋线、纵向螺旋线和介质支撑，介质支撑为一端封闭的空心圆柱体，平面螺旋线附着在空心圆柱体封闭端的外表面上，纵向螺旋线附着在空心圆柱体的侧面上，平面螺旋线与纵向螺旋线相连；所述金属腔为一端封闭的空心圆柱体，所述辐射器通过介质支撑固定连接在金属腔的开口端，馈电巴伦位于金属腔内部的中轴线上，馈电巴伦的两端分别与平面螺旋线未与纵向螺旋线连接的一端和位于金属腔底部的馈电接头相连，纵向螺旋线未与平面螺旋线连接的一端连接有一个电阻并通过所述电阻与金属腔体相连，金属腔、辐射器与馈电巴伦的间隙内填充吸波材料。

进一步地，所述平面螺旋线为自互补平面等角螺旋线或自互补阿基米德螺旋线。

进一步地，所述平面螺旋线由相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的刚性单面附铜介质板制作而成。

进一步地，所述纵向螺旋线包括两条呈180°旋转对称自互补结构的金属臂。

进一步地，所述纵向螺旋线由相对介电常数为3.0、厚度为0.04mm的柔性单面附铜介质板制作而成。

进一步地，所述平面螺旋线与纵向螺旋线线宽相等，平面螺旋线与纵向螺旋线的连接方式为焊接或者经导电胶粘结。

进一步地，所述介质支撑由粘接在一起的平面介质板和空心圆柱体介质结构构成。

进一步地，所述吸波材料靠近平面螺旋线的一端为圆台状，圆台上表面的半径为金属腔内径的1/2～2/3，圆台母线与轴线间的夹角随平面螺旋线半径的增大而减小，夹角范围为0～90°。

进一步地，所述平面螺旋线的两臂与馈电巴伦之间通过两个扇形过渡结构平滑连接。

进一步地，所述馈电巴伦两端的特性阻抗分别为50Ohm和140Ohm，特性阻抗为50Ohm的一端与馈电接头相连，特性阻抗为140Ohm的一端与平面螺旋线相连。

进一步地，所述超小型超宽带螺旋天线还包括天线罩，天线罩固定连接在金属腔上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的超小型超宽带螺旋天线将平面螺旋线与纵向螺旋线相结合，实现天线超宽带的同时减小天线的体积，实现了天线的超小型化；

（2）本发明的超小型超宽带螺旋天线通过在纵向螺旋线的末端各用一个电阻和天线金属腔相连并吸收在纵向螺旋线上剩余未辐射出去的低频电流，改善了天线的低频驻波和方向图；

（3）本发明的超小型超宽带螺旋天线中所填充所述吸波材料靠近平面螺旋线的一端为空心圆台状，空心圆台上表面的半径为金属腔内径的1/2～2/3，针对实际情况，空心圆台母线与轴线间的夹角可以随平面螺旋线半径的增大而减小，可以解决距离减小时低频增益较低、距离增大时高频方向图凹陷的矛盾，在保证频带内辐射方向图和圆极化性能的前提下，提升天线在低频时的增益；

（4）本发明的超小型超宽带螺旋天线在馈电巴伦与平面螺旋线的连接处采用了特别设计的扇形过渡结构，避免了可能出现的电容电感效应，提升频带内的驻波效果；

（5）本发明的超小型超宽带螺旋天线采用特性阻抗值呈指数渐变变化的馈电巴伦，保证了天线在整个频带内的驻波效果；

（6）本发明的超小型超宽带螺旋天线还设计了与天线配合的天线罩，天线罩的作用在于提高天线使用的稳定性和提高天线的使用寿命。

附图说明

图1为本发明超小型化螺旋天线的三维结构示意图；

图2为本发明超小型化螺旋天线的主视剖视图；

图3为本发明超小型化螺旋天线辐射器的俯视图；

图4为本发明超小型化螺旋天线的纵向螺旋线示意图；

图5为本发明超小型化螺旋天线的天线罩示意图；

图6为本发明螺旋天线驻波的仿真曲线图；

图7为本发明螺旋天线增益的仿真曲线图；

图8为本发明螺旋天线各频点的增益仿真方向图；

图9为本发明螺旋天线各频点的轴比仿真方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本实施例中的超小型超宽带螺旋天线的三维结构示意图，图2为与图1对应的主视剖视图，由图可见，本实施例中的超小型超宽带螺旋天线包括辐射器1、金属腔2、馈电巴伦3、馈电接头4和吸波材料5，其中，辐射器1包括平面螺旋线11、纵向螺旋线12和介质支撑13，介质支撑13为一端封闭的空心圆柱体，平面螺旋线11附着在空心圆柱体封闭端的外表面上，纵向螺旋线12附着在空心圆柱体的侧面上，平面螺旋线11与纵向螺旋线12相连。金属腔2为一端封闭的空心圆柱体，辐射器1通过介质支撑13固定连接在金属腔2的开口端。馈电巴伦3位于金属腔2内部的中轴线上，馈电巴伦3的两端分别与辐射器1平面螺旋线11未与纵向螺旋线12连接的一端和位于金属腔2底部的馈电接头4相连。纵向螺旋线12未与平面螺旋线11连接的一端连接有一个电阻121并通过所述电阻121与金属腔体2相连，实现通路。金属腔2、辐射器1与馈电巴伦3的间隙内填充吸波材料5。

上述结构中，辐射器1的平面螺旋线11负责辐射工作电流的高频及以下绝大部分，纵向螺旋线12负责辐射工作电流的低频部分，低频部分未被完全辐射的电流则由电阻121吸收，因此，与传统的天线结构相比，本实施例中的超小型超宽带螺旋天线在不降低天线增益及轴比性能的情况下，具有优异的超宽带性能，同时结构更加紧凑，体积小巧。

本实施例中的平面螺旋线11可以为自互补平面等角螺旋线，如图3所示，也可以为自互补阿基米德螺旋线，为了便于加工和降低成本，这里平面螺旋线11可以采用相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的刚性单面附铜介质板制作而成。

为了避免可能出现的电容电感效应，提升频带内的驻波效果，如图3所示，本实施例中的平面螺旋线11的两臂与馈电巴伦3之间通过特别设计的扇形过渡结构6平滑连接。

本实施例中的纵向螺旋线12包括两条呈180°旋转对称自互补的金属臂，为了便于加工成型和降低天线成本，在满足性能要求的情况下，上述纵向螺旋线12可以采用相对介电常数为3.0、厚度为0.04mm的柔性单面附铜介质板制作而成。

为了提高辐射天线的辐射性能，本实施例中的平面螺旋线11与纵向螺旋线12线宽相等，平面螺旋线11与纵向螺旋线12的连接方式为焊接或者经导电胶粘结。

为了保证天线在整个频带内的驻波效果，本实施例中的馈电巴伦3两端的特性阻抗分别为50Ohm和140Ohm，特性阻抗为50Ohm的一端与馈电接头4相连，特性阻抗为140Ohm的一端与平面螺旋线11相连。

为了解决距离减小时天线的低频增益较低、距离增大时天线的高频方向图凹陷的矛盾，在保证频带内辐射方向图和圆极化性能的前提下，提升天线在低频时的增益，本实施例中的吸波材料5靠近平面螺旋线的一端设计为圆台状，圆台上表面的半径为金属腔内径的1/2～2/3，空心圆台母线与轴线间的夹角随平面螺旋线11半径的增大而减小，夹角范围为0～90°。

为了提高天线使用的稳定性和提高天线的使用寿命，本实施例中的超小型超宽带螺旋天线还包括天线罩7，天线罩7固定连接在金属腔2上。

为了便于加工和降低成本，本实施例中的超小型超宽带螺旋天线辐射器1的介质支撑也可以由预先制备好的平面圆形介质板和空心圆柱体介质结构粘结而成。

下面结合本实施例中的的超小型超宽带螺旋天线的工作过程进一步说明其结构及工作原理：

工作时，电流从设置于金属腔2底部的馈电接头4馈入，然后沿着馈电巴伦3向上流动，到馈电巴伦3顶部后以等幅反向流动方向流向平面螺旋线的两臂，绝大部分频段的电流在平面螺旋线11上被辐射，在平面螺旋线11上未辐射的低频电流流向纵向螺旋线12，并在纵向螺旋线12上被辐射，在纵向螺旋线12两臂上未辐射的小部分电流分别被其上连接的电阻121吸收，所述辐射均为双向辐射，后向辐射的电磁波被吸波材料5吸收。

本实施例中的的超小型超宽带螺旋天线的驻波仿真结果如图6所示，由仿真结果可以看出在2GHz-18GHz的9个倍频程的频带内，其驻波均在1.62以下，表现出良好性能。

本实施例中的的超小型超宽带螺旋天线的增益仿真结果如图7所示，由仿真结果可以看出天线增益均在0.95dBi-5.75dBi之间，在工作频率的低端随着频率的升高增益逐渐增大，在工作频段的高频部分保持基本稳定。

本实施例中的的超小型超宽带螺旋天线的方向图和轴比仿真结果分别如图8、9所示，图中取的为2GHz、6GHz、10GHz、14GHz、18GHz下的仿真结果，可以看出该天线具有宽波瓣特性，波瓣宽度均大于70°，且在波瓣内天线的轴比均在3dB以下，表现出良好的宽波瓣、圆极化性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：包括辐射器、金属腔、馈电巴伦、馈电接头和吸波材料，所述辐射器包括平面螺旋线、纵向螺旋线和介质支撑，介质支撑为一端封闭的空心圆柱体，平面螺旋线附着在空心圆柱体封闭端的外表面上，纵向螺旋线附着在空心圆柱体的侧面上，平面螺旋线与纵向螺旋线相连；所述金属腔为一端封闭的空心圆柱体，所述辐射器通过介质支撑固定连接在金属腔的开口端，馈电巴伦位于金属腔内部的中轴线上，馈电巴伦的两端分别与平面螺旋线未与纵向螺旋线连接的一端和位于金属腔底部的馈电接头相连，纵向螺旋线未与平面螺旋线连接的一端连接有一个电阻并通过所述电阻与金属腔体相连，金属腔、辐射器与馈电巴伦的间隙内填充吸波材料。

2.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述平面螺旋线为自互补平面等角螺旋线或自互补阿基米德螺旋线。

3.根据权利要求2所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述平面螺旋线由相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm的刚性单面附铜介质板制作而成。

4.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述纵向螺旋线包括两条呈180°旋转对称自互补结构的金属臂。

5.根据权利要求4所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述纵向螺旋线由相对介电常数为3.0、厚度为0.04mm的柔性单面附铜介质板制作而成。

6.根据权利要求1或5所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述平面螺旋线与纵向螺旋线线宽相等，平面螺旋线与纵向螺旋线的连接方式为焊接或者经导电胶粘结。

7.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述吸波材料靠近平面螺旋线的一端为圆台状，圆台上表面的半径为金属腔内径的1/2～2/3，圆台母线与轴线间的夹角随平面螺旋线半径的增大而减小，夹角范围为0～90°。

8.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述馈电巴伦两端的特性阻抗分别为50Ohm和140Ohm，特性阻抗为50Ohm的一端与馈电接头相连，特性阻抗为140Ohm的一端与平面螺旋线相连，所述平面螺旋线的两臂与馈电巴伦之间通过两个扇形过渡结构平滑连接。

9.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：所述介质支撑由粘接在一起的平面介质板和空心圆柱体介质结构构成。

10.根据权利要求1所述的超小型超宽带螺旋天线，其特征在于：还包括天线罩，所述天线罩固定连接在金属腔上。

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