CN104022360A - 复合结构平面螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构平面螺旋天线，将平面等角螺旋天线和平面阿基米德螺旋天线相结合，内圈采用一圈半等角螺旋线结构，外圈采用阿基米德螺旋线结构，所述等角螺旋线的末端和阿基米德螺旋线的起始端无缝连接，所述复合结构平面螺旋天线为双臂对称结构的槽辐射平面螺旋天线，直径为50mm，天线底板厚度为0.8mm，采用介电常数为2.2的介质板；所述复合结构平面螺旋天线还包括四个阻值为160欧姆的贴片电阻跨接加载于天线最外圈及倒数第二圈之间，相邻的贴片电阻之间互差90度角；天线还包括两个设置于天线外围的铜环。本发明能有效降低平面螺旋天线的尺寸，并且提高天线的圆极化性能。

Description

复合结构平面螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种平面螺旋天线，尤其涉及一种小型化的复合结构平面螺旋天线，属于微波天线技术领域。

背景技术

超宽带天线的概念是由拉姆西于1957年提出的，超宽带是针对天线收发信号的相对带宽而言，当信号的带宽与中心频率之比小于1％时称为窄带，带宽与中心频率之比在l％与25％之间称为宽带，带宽与中心频率之比大于25％时称为超宽带。超宽带天线就是用来发射和接收超宽带信号的天线装置。现有技术的超宽带天线有戴森等人研制的等角平面螺旋天线和阿基米德平面螺旋天线。

但是，平面螺旋天线的发展一直受到其尺寸较大的限制。目前，解决此类问题的方法主要是两种，一是采用曲折臂形式的平面螺旋天线，通过延长电长度的方法来提高天线的低频段性能。二是采用复合结构的平面螺旋天线，将平面等角螺旋天线和平面阿基米德螺旋天线相结合，取两者天线各自的优点来提高天线的性能。但上述两种改进方式仍然存在问题，一是对天线尺寸降低的效果一般，二是天线的性能尤其是圆极化性能不佳。

平面螺旋天线并没有严格规定的技术指标，但行业内一般认为：回波损耗小于-10dB的频点频段为有效工作频段。极化指的是电磁波中电场矢量端的运动轨迹，当运动轨迹为圆形时，则认为产生该电磁波的天线为圆极化天线，圆极化性能的好坏是平面螺旋天线一个非常重要的指标，用轴比大小来表示该性能，一般认为某频点频段的轴比小于3dB时，认为圆极化性能为良好。天线的增益是指在输入功率相等的情况下，天线与理想辐射单元在空间同一点处所产生信号的功率密度之比。一般来说，当平面螺旋天线的增益大于0dB时，认为可以正常工作，越大说明天线的发射接受能力越强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合结构平面螺旋天线，能有效降低平面螺旋天线的尺寸，并且提高天线的圆极化性能。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种复合结构平面螺旋天线，包括底板部分和天线部分，所述天线部分覆盖于底板部分之上，所述天线部分为槽辐射平面螺旋天线，包括天线臂、槽缝隙，所述天线臂为双臂对称结构，所述槽缝隙为平面等角螺旋线和平面阿基米德螺旋线的结合体，槽缝隙内圈采用平面等角螺旋线，外圈采用平面阿基米德螺旋线，所述平面等角螺旋线的末端和平面阿基米德螺旋线的起始端无缝连接，所述天线部分还包括四个贴片电阻，所述四个贴片电阻跨接连接于天线臂的最外圈及倒数第二圈之间，相邻的贴片电阻之间互差90度角。

本发明的目的还可以通过以下技术措施进一步实现：

前述复合结构平面螺旋天线，其中槽缝隙内圈的平面等角螺旋线为一圈半，对应的角度范围为0到2*π*1.5，平面等角螺旋线的起始半径为1mm，螺旋增长率为0.221；所述平面阿基米德螺旋线，对应的角度范围为2*π*2.5到2*π*10，平面阿基米德螺旋线起始半径为2.79mm，螺旋增长率为0.12，天线臂的最外圈直径为50mm；所述四个贴片电阻阻值为160欧姆；所述底板部分厚度为0.8mm，采用介电常数为2.2的介质板。

前述复合结构平面螺旋天线，还包括第一铜环、第二铜环，所述第一铜环设置于天线臂最外圈的外侧，所述第二铜环设置于第一铜环的外侧。

前述复合结构平面螺旋天线，其中第一铜环的环宽为0.45mm，与天线臂最外圈间隔为0.45mm，所述第二铜环的环宽为0.45mm，与第一铜环的间隔为0.45mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明与原有的同类型天线相比，天线尺寸大幅降低。2、天线在2GHz-18GHz频段内，天线轴比仅为2dB，圆极化性能得到较大的提高。3、有效的提高了天线的增益，在天线低频段(2GHz)，增益仍可达到3dB以上。

附图说明

图1是普通复合结构槽平面螺旋天线；

图2是本发明的复合结构平面螺旋天线；

图3是普通复合结构平面螺旋天线和本发明的复合结构平面螺旋天线的回波损耗曲线图；

图4是普通复合结构平面螺旋天线和本发明的复合结构平面螺旋天线的轴比曲线图(取最大辐射方向)；

图5是本发明的复合结构平面螺旋天线的几个主要频点的E面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的复合结构平面螺旋天线，包括底板部分和天线部分，所述天线部分覆盖于底板部分之上，是槽辐射平面螺旋天线，包括天线臂、槽缝隙，天线臂为双臂对称结构。槽缝隙部分是将等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线相结合，内圈采用的是等角螺旋结构，等角螺旋线的起始半径r＝1mm，螺旋增长率为0.221，等角螺旋一共是一圈半，对应的角度范围就是0到2*π*1.5。外圈采用的是阿基米德螺旋线结构，起始半径设置为2.79mm，螺旋增长率为0.12，对应的角度范围就是从2*π*2.5到2*π*10，采用这样的参数，可以使等角螺旋线末端和阿基米德螺旋线的始端无缝连接，达到复合结构。本发明的复合结构平面螺旋天线是直径为50mm的槽辐射平面螺旋天线，即先在一块直径为50mm的圆形薄良导体材料上画出前述的等角螺旋线和阿基米德螺旋线相结合的槽缝隙部分，然后将此复合结构的槽缝隙部分挖空(对应图中空白部分)，剩下的导体部分即为槽辐射平面螺旋天线的天线臂部分(对应图中黑色部分)。本发明的平面螺旋天线是双臂对称的，如前所述设置好的一条天线臂旋转180度就可以得到另一条臂。

本天线使用的介质底板为厚度0.8mm，介电常数为2.2的Rogers RT介质板。

如图2所示，在前述复合结构平面螺旋天线的基础上，为了减小天线的末端截断效应，本发明采取了两种技术措施：一是采取了末端加载电阻的方法，具体的说就是，采用四个贴片电阻，电阻的阻值大小均为160欧姆，电阻采用的加载方法是跨接加载，所谓跨接加载就是指将贴片电阻两端连接于相邻近的两条臂上，本发明中电阻一端安放在天线臂最外圈上，电阻另一端安放在与最外圈相邻的倒数第二圈上。具体的位置是，先建立一个二维平面坐标系，将对称的天线臂等角螺旋线的两个起始点放在X轴上，在上述建立的坐标轴中第一个贴片电阻R1的位置位于Y轴正半轴位置上，其他三个贴片电阻R2，R3，R4顺时针依次排列，相邻的贴片电阻之间互差90度角。

采取的技术措施之二是在天线臂最外圈的外侧加载铜环。本发明为了加强对电流的吸收，采用了双铜环设置，并且合理地设置了铜环之间的间距。具体为：第一铜环1的环宽为0.45mm，与天线臂最外圈间隔为0.45mm，第二铜环2的环宽也为0.45mm，设置于第一铜环1的外侧，与第一铜环1的间隔为0.45mm。此设置既能降低天线的回波损耗，又可以提高天线的圆极化性能。

将设计好后的天线进行测试，如图3、图4所示的普通复合结构平面螺旋天线和本发明的复合结构平面螺旋天线的各种特性曲线的对比，可见经过末端加载电阻及外围加载铜环后的天线性能明显优于未改进的普通复合结构平面螺旋天线，尤其是圆极化性能得到显著提高。如图5所示，其中A图、B图、C图、D图分别是2GHz、8GHz、12GHz、16GHz频点的E面方向图，由图可见普通的平面螺旋天线在2GHz时增益只有零点几个dB，而本发明的天线在2GHz时增益可达到3.5dB。

本发明的天线拥有很大的带宽，并且尺寸较传统的平面螺旋天线能够减小百分之二十以上，该天线能够广泛的应用在军用和民用领域。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种复合结构平面螺旋天线，包括底板部分和天线部分，所述天线部分覆盖于底板部分之上，所述天线部分为槽辐射平面螺旋天线，包括天线臂、槽缝隙，所述天线臂为双臂对称结构，所述槽缝隙为平面等角螺旋线和平面阿基米德螺旋线的结合体，槽缝隙内圈采用平面等角螺旋线，外圈采用平面阿基米德螺旋线，所述平面等角螺旋线的末端和平面阿基米德螺旋线的起始端无缝连接，其特征在于，所述天线部分还包括四个贴片电阻，所述四个贴片电阻跨接连接于天线臂的最外圈及倒数第二圈之间，相邻的贴片电阻之间互差90度角。

2.如权利要求1所述的复合结构平面螺旋天线，其特征在于，所述槽缝隙内圈的平面等角螺旋线为一圈半，对应的角度范围为0到2*π*1.5，平面等角螺旋线的起始半径为1mm，螺旋增长率为0.221；所述平面阿基米德螺旋线，对应的角度范围为2*π*2.5到2*π*10，平面阿基米德螺旋线起始半径为2.79mm，螺旋增长率为0.12，天线臂的最外圈直径为50mm；所述四个贴片电阻阻值为160欧姆；所述底板部分厚度为0.8mm，采用介电常数为2.2的介质板。

3.如权利要求1或2所述的复合结构平面螺旋天线，其特征在于，还包括第一铜环、第二铜环，所述第一铜环设置于天线臂最外圈的外侧，所述第二铜环设置于第一铜环的外侧。

4.如权利要求3所述的复合结构平面螺旋天线，其特征在于，所述第一铜环的环宽为0.45mm，与天线臂最外圈间隔为0.45mm，所述第二铜环的环宽为0.45mm，与第一铜环的间隔为0.45mm。