CN103956581A - 一种阿基米德螺旋天线的制作方法 - Google Patents

一种阿基米德螺旋天线的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阿基米德螺旋天线的制作方法，通过指数螺卷线和正弦波曲折臂阿基米德螺旋线的综合设计，借助指数螺卷线的阻抗变换特性，将阿基米德螺旋天线的高输入阻抗降低到约为50Ω，曲折臂阿基米德螺旋线可以增加天线臂的电长度实现小型化；当指数渐变微带线巴伦两个端口的阻抗变换比接近于1时，可以利用很短的长度完成超宽频带内的不平衡模式—平衡模式的转换；为获得单向辐射，采用剖面深度和巴伦长度相同的背腔。利用该方法设计了的天线工作在0.8—9.4GHz的频带范围内，剖面深度为10mm，口面直径为100mm，与工作在相同频段的传统阿基米德螺旋天线相比，口径面积有78.62％的缩减。

Description

一种阿基米德螺旋天线的制作方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种阿基米德螺旋天线的制作方法，具体地说，涉及一种超低剖面小型宽带阿基米德螺旋天线的制作方法。
背景技术
随着超宽带系统在通信领域的应用，平面螺旋天线受到了越来越多的关注。由于在一定的半径范围内缠绕得更加紧凑，阿基米德螺旋天线在低频端具有更好的馈电性能、圆极化性能和波束对称性。随着现代通信系统对其辐射终端的紧凑性要求，阿基米德螺旋天线的小型化也得到了广泛的研究。阿基米德螺旋天线的小型化应当包括两部分：一是天线口径的小型化，二是天线剖面的小型化。在口径小型化方面：现有技术中提出方波曲折臂实现阿基米德螺旋天线的口径小型化，通过电感和电容的加载实现口径缩减，此方法实现难度较大，还有的技术采用在天线臂末端加载电阻或吸波材料以改善低频特性实现小型化，此方法增加了辐射能量的热损耗，降低了辐射效率；在剖面小型化方面：往往利用铁氧体作为反射板降低天线剖面，也有人采用EBG电子带隙实现低剖面设计，此方法设计复杂。现有技术中的方法没有考虑馈电结构长度对天线剖面的影响，使天线的低剖面设计在应用中受到限制。而在实际工作中，在完成天线低剖面的情况下，若采用长度不大于天线剖面深度的超宽带馈电巴伦为阿基米德螺旋天线馈电，整个天线与其承载体的可共形程度将大大提高。本发明方法将在阿基米德螺旋天线的口径小型化和剖面深度缩减方面进行改进和提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种阿基米德螺旋天线的制作方法，降低阿基米德螺旋天线的输入阻抗以减小所用指数渐变微带巴伦的长度，从而实现天线剖面的小型化；对天线辐射部分进行曲折处理以实现天线口径的小型化。
其技术方案为：
一种阿基米德螺旋天线的制作方法，包括以下步骤：
A.模型的建立
A1.天线辐射部分模型的建立
天线辐射结构包括两部分，在矢径小于r1的范围内为指数螺卷线，范围之外为振幅呈线性变化的正弦波曲折臂阿基米德螺旋线，天线模型在电磁仿真软件HFSS中建立指数螺卷线的建立方程为：
其中，r为矢径长度，r0为指数螺卷线的起始半径，a1为指数螺卷线的螺旋率，为螺旋线的螺旋角；
正弦波曲折阿基米德螺旋线的建立方程为：
其中，a2为阿基米德螺旋线的螺旋率，为阿基米德螺旋线的起始螺旋角，m为正弦波的振幅，n为正弦波的角频率；
A2.天线馈电部分模型的建立
所述天线馈电的结构为指数渐变微带巴伦，其模型在电磁仿真软件HFSS中建立，所用介质板为聚酰亚胺双面覆铜板；
A3.背腔模型的建立
B.实物加工与组装
按照步骤A所述模型，在AUTOCAD中绘出加工图纸，进行实物加工，天线辐射部分及指数渐变微带线部分蚀刻在介质板上，背腔材料为铝，指数渐变微带巴伦平衡端两面的金属分别与天线的两臂焊接，不平衡端连接一SMA接头，SMA接头固定于反射腔背部中心位置。
进一步优选，步骤A1中天线臂的宽度固定为1mm，r0为1mm，a1为0.2，a2为2/pi，为4π，正弦波曲折臂阿基米德螺旋线在指数螺卷线后旋转6圈，天线辐射部分口径最终的直径为100mm，所述模型建立在聚四氟乙烯玻璃布板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)剖面小型化
本方法针对使用传统指数渐变微带线巴伦为阿基米德螺旋天线馈电的情况。指数渐变微带线巴伦具有在超宽频带范围内实现阻抗变换和不平衡模式—平衡模式转换的功能。依据指数渐变线工作原理，当不平衡端和平衡端的阻抗比值为1时，指数渐变微带线巴伦可以在很短的长度内实现以上所述功能，基于此方法可以设计出的低输入阻抗的阿基米德螺旋天线已达到上述目标。
参考无限巴伦的设计思想，根据指数螺卷线的阻抗变换性能，在阿基米德螺旋线的起始端加入指数螺卷线使天线的输入阻抗降低到约为50Ω，亦即指数渐变微带巴伦在其平衡端需要实现的阻抗，结合反射背腔对天线辐射特性的影响，最后确定指数渐变微带巴伦的长度为10mm。
(2)口径小型化
本发明方法提出了一种全新的曲折臂方式，在传统阿基米德螺旋线的极坐标方程中加入幅度呈线性变化的正弦波函数，以实现对阿基米德螺旋天线臂的曲折处理。依照该方法设计的阿基米德螺旋天线口径直径为100mm，工作频段为0.8—9.4GHz。
依照上述方法加工阿基米德螺旋天线、指数渐变微带巴伦、背腔。其中阿基米德螺旋天线所用介质板为聚四氟乙烯玻璃布板，厚度为1mm，介电常数为2.65，指数渐变微带巴伦所用介质板为聚酰亚胺双面覆铜板，厚度为1mm，介电常数为4.1，背腔剖面深度与指数渐变微带巴伦长度相同。本发明所述方法制作的天线在0.8—9.4GHz的频率范围内反射系数小于-10dB，轴比小于3dB，方向图性能良好。
附图说明
图1为天线结构示意图；
图2为指数渐变微带巴伦结构示意图；
图3为天线反射系数的测量结果；
图4为主辐射方向上天线的增益和轴比；
图5为天线在若干频点处的辐射方向图，其中图5(a)0.8GHz，图5(b)3GHz，图5(c)6GHz，图5(d)8GHz。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例来详细描述本发明的技术方案。
一种阿基米德螺旋天线的制作方法，包括以下步骤：
A.模型的建立
A1.天线辐射部分模型的建立
用本发明方法设计的天线辐射结构包括两部分，在矢径小于r1的范围内为指数螺卷线，范围之外为振幅呈线性变化的正弦波曲折臂阿基米德螺旋线。天线模型在电磁仿真软件HFSS中建立。参照图1，指数螺卷线的建立方程为
其中，r为矢径长度，r0为指数螺卷线的起始半径，a1为指数螺卷线的螺旋率，？为螺旋线的螺旋角。
正弦波曲折阿基米德螺旋线的建立方程为：
其中，a2为阿基米德螺旋线的螺旋率，为阿基米德螺旋线的起始螺旋角，亦即指数螺卷线的最终螺旋角，m为正弦波的振幅，n为正弦波的角频率，决定了每一圈阿基米德螺旋线中正弦波的周期个数。
在本天线的设计中，天线臂的宽度固定为1mm，r0为1mm，a1为0.2，a2为2/pi，为4π，即指数螺卷线旋转2圈，正弦波曲折臂阿基米德螺旋线在指数螺卷线后旋转6圈，天线辐射部分口径最终的直径为100mm。该模型建立在聚四氟乙烯玻璃布板上。
A2天线馈电部分模型的建立
本发明所用于为天线馈电的结构为指数渐变微带巴伦。其模型同样在电磁仿真软件HFSS中建立，所用介质板为聚酰亚胺双面覆铜板。图2中所示渐变地面和渐变微带线分别在介质板的两面。
A3背腔模型的建立
B.实物加工与组装
按照上述模型，在AUTOCAD中绘出加工图纸，在相关单位进行实物加工，天线辐射部分及指数渐变微带线部分蚀刻在相应的介质板上，背腔材料为铝。
对所加工实物进行组装，指数渐变微带巴伦平衡端两面的金属分别与天线的两臂焊接，不平衡端连接一SMA接头，SMA接头固定于反射腔背部中心位置。
利用本发明方法设计的阿基米德螺旋天线工作在0.8—9.4，GHz的频带范围内。在该频带范围内天线的反射系数小于-10dB，符合馈电要求，如图3所示,。同时在该频段范围内，天线的轴比小于3dB，如图4所示。从图4所示天线主辐射方向的增益及图5所示的辐射方向图可知，该天线在其工作频段范围内具有良好的辐射特性。
由以上结果可知天线的口径直径为100mm，工作频段为0.8—9.4GHz。与传统的阿基米德螺旋天线相比，该天线在口径面积上缩减了78.62％。更重要的是天线的剖面深度仅为10mm，约为0.8GHz自由空间波长的2.7％。所以用本发明方法能够有效地减小阿基米德螺旋天线的口径面积，同时获得超低剖面的结构，这更有利于阿基米德螺旋天线在与其载体相共形方面的应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种阿基米德螺旋天线的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.模型的建立
A1.天线辐射部分模型的建立
天线辐射结构包括两部分，在矢径小于r1的范围内为指数螺卷线，范围之外为振幅呈线性变化的正弦波曲折臂阿基米德螺旋线，天线模型在电磁仿真软件HFSS中建立指数螺卷线的建立方程为：
其中，r为矢径长度，r0为指数螺卷线的起始半径，a1为指数螺卷线的螺旋率，为螺旋线的螺旋角；
正弦波曲折阿基米德螺旋线的建立方程为：
其中，a2为阿基米德螺旋线的螺旋率，为阿基米德螺旋线的起始螺旋角，m为正弦波的振幅，n为正弦波的角频率；
A2.天线馈电部分模型的建立
所述天线馈电的结构为指数渐变微带巴伦，其模型在电磁仿真软件HFSS中建立，所用介质板为聚酰亚胺双面覆铜板；
A3.背腔模型的建立
B.实物加工与组装
按照步骤A所述模型，在AUTOCAD中绘出加工图纸，进行实物加工，天线辐射部分及指数渐变微带线部分蚀刻在介质板上，背腔材料为铝，指数渐变微带巴伦平衡端两面的金属分别与天线的两臂焊接，不平衡端连接一SMA接头，SMA接头固定于反射腔背部中心位置。
2.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋天线的制作方法，其特征在于，步骤A1中天线臂的宽度固定为1mm，r0为1mm，a1为0.2，a2为2/pi，为4π，正弦波曲折臂阿基米德螺旋线在指数螺卷线后旋转6圈，天线辐射部分口径最终的直径为100mm，所述模型建立在聚四氟乙烯玻璃布板上。
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