CN103943954B - 一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明所提供的一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，包括：设置成空心圆柱状的第一介质基板；螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片；设置在所述第一介质基板底部并与所述第一介质基板相连接的第二介质基板，所述第二介质基板的横截面方向与所述第一介质基板的轴向垂直；设置在所述第二介质基板底部并与所述第二介质基板相连接的用于接地的金属接地板。由于螺旋状金属片的宽度可调，故通过改变金属片的宽度，可以控制天线的输入阻抗，并可以实现同时超宽频带的阻抗带宽；天线在保持低剖面特征的基础上，实现了超宽频的圆极化辐射特性及高增益特性，且圆极化带宽能够被阻抗带宽覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及的是一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线。
背景技术
在传统的天线家族中，具有圆极化辐射特性的天线包括微带贴片天线、多馈点四臂螺旋天线（QuadrifilarHelicalAntenna）、平面螺旋天线（SpiralAntenna）和轴向模螺旋天线（Axial-ModeHelicalAntenna）等。
其中，单馈点的圆极化微带贴片天线的工作带宽较窄（一般在3%以内）。
四臂螺旋天线需要设计复杂的馈电网络来实现多馈点工作模式，天线结构复杂，并且天线增益较小（一般4dBi以下）。
平面螺旋天线具有宽频带、宽波束的特性，但由于它有两个辐射臂并且输入阻抗不能与50Ω激励源匹配，一般需要在天线与激励源之间加载一个平衡-不平衡变换器（Balanced-unbalanced,Balub）和输入阻抗变换器（通常用一个装置实现两种功能）。
传统的轴向模螺旋天线具有单馈点、宽频带、高增益和窄波束的特性，其输入阻基本呈电阻性，在100Ω-150Ω之间。不足的是，由于传统的轴向模螺旋天线所需的螺旋圈数较多（一般多于6圈），上升角α较大（一般大于12°），所以其高度较高，不适用于现代无线通信系统的小型终端上。
为了减少螺旋所绕圈数并降低天线的整体高度，日本科学家H.Nakano理论分析并设计了一系列的低剖面的轴向模螺旋天线。这类天线实现圆极化辐射所需的螺旋圈数较少（1-3圈），且上升角α在7°以下，因此其轴向高度较低。在辐射特性上，这类低剖面的轴向模螺旋天线的波束较宽，工作频带较窄，相对带宽在10%左右。与传统的轴向模螺旋天线相似，H.Nakano提出的这类天线的输入阻抗也呈现电阻性，在100Ω-150Ω之间，不能与常用的50Ω激励源直接匹配。
随后，H.T.Hui等研究人员提出了一系列的低剖面半球状螺旋天线（low-profilehemisphericalhelicalantennas），这类天线的螺旋是用金属线沿半球状表面渐变绕制而成，其螺旋圈数一般为4-7圈。在辐射特性上，这类天线的工作带宽较窄，大约只有15%，且天线的阻抗特性与之前的轴向模螺旋天线相比并没有改进，输入阻抗呈现大于100Ω的纯电阻性，仍然需要在天线与50Ω激励源之间加载阻抗匹配装置。
2010年，有学者提出了一种的宽频带低剖面半球状螺旋天线，通过引入一个阻抗匹配装置，这种天线可实现与50Ω激励源阻抗匹配，其阻抗带宽超过50%，其圆极化轴比带宽只有约24%。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，解决了现有技术中金属线螺旋天线的输入阻抗较大（大于100Ω），难以直接与50Ω激励源阻抗匹配，以及天线的剖面高度较大的缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，包括：
设置成空心圆柱状的第一介质基板；
螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片；
设置在所述第一介质基板底部并与所述第一介质基板相连接的第二介质基板，所述第二介质基板的横截面方向与所述第一介质基板的轴向垂直；
设置在所述第二介质基板底部并与所述第二介质基板相连接的用于接地的金属接地板。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片为宽度固定的带状金属片。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的宽度为10mm-40mm。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的螺旋圈数为1.0-1.5圈。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的螺旋周长为，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述螺旋状金属片的螺旋上升角为10°-20°。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述第一介质基板的介电常数等于所述第二介质基板的介电常数。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述金属接地板为圆形，所述圆形半径大于所述螺旋状金属片的螺旋直径的二分之一。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述金属接地板为正方形，所述正方形的面积大于，其中D为所述螺旋状金属片的螺旋直径。
所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其中，所述第二介质基板为实心圆柱状，所述第二介质基板厚度为2mm-4mm。
本发明所提供的一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，包括：设置成空心圆柱状的第一介质基板；螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片；设置在所述第一介质基板底部并与所述第一介质基板相连接的第二介质基板，所述第二介质基板的横截面方向与所述第一介质基板的轴向垂直；设置在所述第二介质基板底部并与所述第二介质基板相连接的用于接地的金属接地板。由于螺旋状金属片的宽度可调，故通过改变金属片的宽度，可以控制天线的输入阻抗，并可以实现同时超宽频带的阻抗带宽；天线在保持低剖面特征的基础上，实现了超宽频的圆极化辐射特性及高增益特性，且圆极化带宽能够被阻抗带宽覆盖。
附图说明
图1为本发明所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线较佳实施例仰视图。
图3为本发明所述螺旋状金属片的单圈螺旋金属片的平面示意图。
图4为天线输入阻抗随频率变化的曲线图。
图5为天线反射系数随频率变化的曲线图。
图6为天线最大辐射方向的轴比随频率变化的曲线图。
图7为本发明中实际制作的采用所述螺旋状金属片的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线的天线反射系数随频率变化的曲线图。
图8为本发明中实际制作的采用所述螺旋状金属片的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线的最大辐射方向的轴比随频率变化的曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1和图2，图1是本发明超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线较佳实施例的结构示意图，图2为本发明所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线较佳实施例仰视图，所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，包括：
设置成空心圆柱状的第一介质基板100；
螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片200；
设置在所述第一介质基板100底部并与所述第一介质基板100相连接的第二介质基板300，所述第二介质基板300的横截面方向与所述第一介质基板100的轴向垂直；
设置在所述第二介质基板300底部并与所述第二介质基板300相连接的用于接地的金属接地板400。
较佳地，所述螺旋状金属片200为宽度固定的带状金属片绕制而成，如图3所示，为本发明所述螺旋状金属片200的单圈螺旋金属片的平面示意图。所述螺旋状金属片200的宽度固定为ω，螺旋的直径为D，螺旋绕制一圈上升的高度为S，螺旋的上升角为，其中，螺旋圈数为n。为了便于制作所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，所述螺旋状金属片200被印于第一介质基板100上。然后将所述第一介质基板100卷成圆柱形状（螺旋状金属片200位于圆柱的外侧面），制成金属螺旋。第二介质基板300设置于所述第一介质基板100的正下方，而且所述第二介质基板300的底层印有金属接地板400。本发明较佳实施例中，天线采用同轴馈电方式进行馈电，同轴接口的外表皮与金属接地板400相连，内芯与螺旋状金属片200的底部相连。
较佳地，所述螺旋状金属片200的宽度为10mm-40mm，最优值为22mm。
为了进一步测试螺旋状金属片200的最优宽度及采用螺旋状金属片200的优点，仿真测试时采用三种不同的金属材料来绕制螺旋天线，分别是半径为0.5mm的金属线、宽度的金属片和宽度金属片。在其它物理参数（D=36mm，S=65mm，n=1.1，，R=80mm，，其中D为螺旋的直径，S为旋绕制一圈上升的高度，n为螺旋圈数，R为金属接地板的半径，、分别为第一介质基板和第二介质基板的介电常数，h1、h2分别为第一介质基板和第二介质基板的厚度）保持不变的情况下，对这三条螺旋天线进行电磁数值仿真分析，得到的仿真结果如图4-6所示。
其中，图4为天线输入阻抗随频率变化的曲线图，从图中可以得出：
1）当采用半径为0.5mm的金属线绕制螺旋时，在1.2GHz-3GHz频段内，天线的输入阻抗变化较大，实部（电阻部分）在5-230之间变化，虚部（电抗部分）在-70-120之间剧烈震荡；
2）改用宽度的金属片，天线的输入阻抗与金属线相比变化幅度缩小，在1.2GHz-3GHz频段内，输入阻抗的实部位于20-120区间内，虚部在-30-45区间内小幅震荡。
3）改用宽度的金属片，天线的输入阻抗与前二者相比更稳定，在1.2GHz-3GHz频段内，输入阻抗实部在30-80之间小幅变化，虚部稳定在-25-25区间内。
因此，从图4可以看出，传统金属线绕制的螺旋天线，其输入阻抗频率变化较大，难以实现宽带阻抗匹配。而改用金属片后，随着金属片宽度的增加，输入阻抗逐渐稳定。选取适当的值，可使得天线输入阻抗的实部稳定在50附近，虚部稳定在0附近，从而实现宽频带的阻抗匹配。
由天线的输入阻抗可得出其与50激励源相连时的反射系数（），图5为天线反射系数（S11）随频率变化的曲线图。从图5可以得出，传统金属线绕制的螺旋天线不能与50激励源实现宽带阻抗匹配。而随着金属片宽度的增加，金属片螺旋天线的阻抗匹配越来越好。当时，天线的绝对阻抗带宽（S11≤-10dB）为1.18GHz-3GHz以上，相对带宽大于85%。
图6为天线最大辐射方向的轴比随频率变化的曲线图。可以看出，传统金属线绕制的螺旋天线在螺旋圈数时，不能实现圆极化辐射。改用金属片绕制后，随着金属片宽度的增加，金属片螺旋天线的圆极化辐射性能越来越好。当时，天线的绝对轴比带宽（≤3dB）为1.23GHz-2.19GHz，相对带宽达56%，具有超宽的圆极化带宽，且轴比带宽被阻抗带宽良好覆盖。
为了进一步验证天线采用所述螺旋状金属片200的良好宽频带性能，此时实际制作一采用所述螺旋状金属片200的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，天线的物理参数如下：（D=36mm，w=22mm，S=65mm，n=1.1，，R=80mm，，其中D为螺旋的直径，S为旋绕制一圈上升的高度，n为螺旋圈数，R为金属接地板的半径，、分别为第一介质基板和第二介质基板的介电常数，h1、h2分别为第一介质基板和第二介质基板的厚度），并对其进行反射系数和轴比带宽仿真值及实际测试值的对比，如图7和图8所示。
图7为实际制作的采用所述螺旋状金属片200的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线的天线反射系数随频率变化的曲线图。从图7中可以看出，仿真所得天线的输入阻抗带宽（S11≤-10dB）超过85%（1.18GHz-3GHz以上），测试所得天线的输入阻抗带宽约为77%（1.22GHz-2.76GHz）,且仿真和测试结果吻合效果极佳。因此，采用所述螺旋状金属片200的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线具有超宽的输入阻抗带宽。
图8为实际制作的采用所述螺旋状金属片200的超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线的最大辐射方向的轴比随频率变化的曲线图。从图8中可以看出，仿真数据和测试数据吻合效果极佳，天线的仿真和测试所得轴比带宽（AR≤3dB）分别为56%（1.23GHz-2.19GHz）和55%（1.25GHz-2.2GHz），天线具有超宽的圆极化带宽。
较佳地，所述螺旋状金属片200的螺旋圈数为1.0-1.5圈。由于固定宽度的螺旋状金属片的引入，天线实现圆极化辐射特性所需的螺旋圈数显著减少，螺旋的圈数n取值在1.0-1.5之间（即圈数n是小数），经多次测试得出，所述螺旋状金属片200的最优值为1.1圈。
较佳地，所述螺旋状金属片200的螺旋周长为，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。每一圈螺旋的周长（）决定了天线的中心工作频点，经多次测试得出，周长的最优值为。
较佳地，所述螺旋状金属片200的螺旋上升角为10°-20°。
螺旋的上升角（）对天线的剖面高度和圆极化性能有影响。上升角越大，天线的圆极化性能越好，而天线的剖面高度也越高。因此，螺旋的上升角的取值应适中，范围为10°-20°，经多次测试得出，述螺旋状金属片200的螺旋上升角最优值为16°。
本发明较佳实施例中，当第一介质基板100的厚度h1较小（）时，介质基板的相对介电常数对天线的性能基本没有影响。当第一介质基板100的厚度较大（）时，第一介质基板100的相对介电常数对天线尺寸的影响明显。随着的增大，天线的尺寸将会显著缩小。
较佳地，所述第二介质基板300为实心圆柱状，所述第二介质基板300厚度为2mm-4mm。
第二介质基板300的相对介电常数和厚度影响着天线的输入阻抗。当时，天线较难实现阻抗匹配。而过大会增加天线的剖面高度。所以第二介质基板300的厚度的取值范围为，经多次测试得出，所述第二介质基板300最优值为3mm。
较佳地，所述第一介质基板100的介电常数等于所述第二介质基板300的介电常数。过大不仅会增加第二介质基板300的成本，还会使天线的输入阻抗在频带内变化较大，难以实现阻抗匹配。因此的最优值为2.2。当所述第一介质基板100的介电常数与所述第二介质基板300的介电常数相等时，既能节省第一介质基板100和第二介质基板300的成本，也能实现效果极佳天线的阻抗匹配。
较佳地，所述金属接地板400为圆形，所述圆形半径大于所述螺旋状金属片的螺旋直径的二分之一，即圆形的金属接地板400的半径R的取值范围为，其中D为所述螺旋状金属片200的螺旋直径。随着圆形金属接地板的半径R的增大，天线辐射方向图的前后比会提高。同样的，所述金属接地板400的形状为正方形，所述正方形的面积大于，其中D为所述螺旋状金属片的螺旋直径。
本发明所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，具有以下优点：
1）天线的剖面较低。由于螺旋的圈数少（1-2圈之间），天线的剖面高度约为0.5，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
2）天线具有优良的阻抗匹配性能，通过调整螺旋状金属片的宽度，可对天线的输入阻抗有效控制，从而在无需引入阻抗匹配装置的前提下实现与50激励源匹配的超宽带（大于80%）阻抗带宽。
3）天线具有优良的圆极化辐射特性，其轴比带宽超过55%，远远大于现有的低剖面螺旋天线的轴比带宽，在轴比带宽内，天线的增益稳定在8dB左右。天线的最大辐射方向为轴向方向，在轴比带宽内，天线的辐射方向图基本稳定。
综上所述，本发明所提供的一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，包括：设置成空心圆柱状的第一介质基板；螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片；设置在所述第一介质基板底部并与所述第一介质基板相连接的第二介质基板，所述第二介质基板的横截面方向与所述第一介质基板的轴向垂直；设置在所述第二介质基板底部并与所述第二介质基板相连接的用于接地的金属接地板。由于螺旋状金属片的宽度可调，故通过改变金属片的宽度，可以控制天线的输入阻抗，并可以实现同时超宽频带的阻抗带宽；天线在保持低剖面特征的基础上，实现了超宽频的圆极化辐射特性及高增益特性，且圆极化带宽能够被阻抗带宽覆盖。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，包括：
设置成空心圆柱状的第一介质基板；
螺旋绕制设置在所述第一介质基板外表面的螺旋状金属片；
设置在所述第一介质基板底部并与所述第一介质基板相连接的第二介质基板，所述第二介质基板的横截面方向与所述第一介质基板的轴向垂直；
设置在所述第二介质基板底部并与所述第二介质基板相连接的用于接地的金属接地板；
所述螺旋状金属片的宽度为10mm-40mm；
所述螺旋状金属片的螺旋圈数为1.0-1.5圈；
所述金属接地板与同轴接口的外表皮相连，同轴接口的内芯与螺旋状金属片的底部相连，并采用同轴馈电方式进行馈电；
所述螺旋状金属片为宽度固定的带状金属片。
2.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述螺旋状金属片的螺旋周长为，其中为天线中心工作频点的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述螺旋状金属片的螺旋上升角为10°-20°。
4.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一介质基板的介电常数等于所述第二介质基板的介电常数。
5.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述金属接地板为圆形，所述圆形半径大于所述螺旋状金属片的螺旋直径的二分之一。
6.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述金属接地板为正方形，所述正方形的面积大于，其中D为所述螺旋状金属片的螺旋直径。
7.根据权利要求1所述超宽带低剖面印刷型圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第二介质基板为实心圆柱状，所述第二介质基板厚度为2mm-4mm。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160629 Termination date: 20170424 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |