CN104112898A - 新型小型化超宽带圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了新型小型化超宽带圆极化天线，包括平面等角螺旋天线部分，球面螺旋天线部分，天线馈电巴伦以及天线反射腔体；天线的馈电巴伦从天线底部穿过天线反射腔体后与平面螺旋天线部分圆心附近的螺旋双臂始端相连接。本发明提出以平面等角螺旋天线与球面螺旋天线相结合的形式，此结构不但具有展宽天线低频带宽的能力，还可实现其小型化的目的。该天线工作于800Mhz-20Ghz频带范围内的圆极化天线在整个频段内电压驻波＜2，圆极化度（轴比）≤3dB，增益≥3dB，体积较同样倍频程天线小，结构简单、易于加工，适用于宽带通信、卫星通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域领域，特别涉及一种新型小型化超宽带圆极化天线。
背景技术
随着天线理论技术的不断发展以及各频段通信等无线系统的需求，作为一种接收和发射电磁波的重要设备─天线正逐步向超宽带、小型化方向发展。超宽带圆极化天线具有多方面的宽频带特性，无论是方向特性、阻抗特性还是极化特性都是宽频带的，这些特性使得天线在传输速率、功耗、安全性、抗多径干扰及重影等方面较其他天线有着不可取代的优势。因此，在军事电子系统、超宽带通信、卫星通信等众多应用领域获得了广泛的应用。
现有的超宽带圆极化天线如阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线，这类天线形式单一，且在确定频带的情况下，很难在传统设计尺寸上进一步实现在体积上的小型化，而在实际需要中往往为了减小尺寸而舍弃了天线的带宽（低频部分）。本发明首次采用平面等角螺旋天线与球面螺旋线相结合的形式解决以上问题，在高频段，主要能量通过平面螺旋部分辐射，球面螺旋作为平面螺旋的末端加载;而在低频段，平面螺旋部分没有足够的电长度产生辐射，此时的平面螺旋等同于球面螺旋的一部分，能量集中在球面螺旋部分辐射。此设计有效的避免了传统螺旋天线在低频工作时径向尺寸大这一问题。与此同时，天线的带宽也有了很大的展宽。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种新型小型化超宽带圆极化天线。
为解决上述问题，本发明采用的方法是：一种新型小型化超宽带圆极化天线，包括平面等角螺旋天线部分，球面螺旋天线部分，天线馈电巴伦以及天线反射腔体；平面等角螺旋部分由平面螺旋双臂构成；球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成：所述的平面等角螺旋天线部分嵌入在所述的球面螺旋天线部分的球形介质中，经过平面螺旋部分与螺旋铜钱之间1/4圆周的过渡焊接在一起；所述的天线的馈电巴伦从天线底部穿过天线反射腔体后与平面螺旋天线部分圆心附近的螺旋双臂始端相连接。
作为本发明的一种改进，所述的的螺旋线其中一臂方程的极坐标表达形式为 其中为螺旋线起始半径，为螺旋线外半径，为螺旋线内半径，为螺旋率，另外一臂由此臂旋转180°而得。
作为本发明的一种改进，所述的球面螺旋线的直角坐标方程为：,其中为球半径，N表示螺旋线的圈数。
作为本发明的一种改进，所述的天线馈电巴伦的方程形式为，、分别为巴伦平衡端尺寸小的那端的宽度，为非平衡端尺寸大的那端的宽度相关的常数，为指数渐变率，为巴伦的长度。
作为本发明的一种改进，所述的平面等角螺旋天线部分是由等角螺旋方程算得尺寸，后在覆铜的圆形介质基板上激光雕刻得到。
作为本发明的一种改进，所述的球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成：首先在球形介质表面雕刻螺旋圆槽，后缠绕上与圆槽同直径的铜线。
作为本发明的一种改进，天线馈电巴伦由双层覆铜介质板上雕刻微带渐变线所得。
作为本发明的一种改进，所述的天线反射腔体为铝制锥形曲面。
作为本发明的一种改进，在所述的天线的馈电部分焊接有SMA接头，并在反射腔体底部封有底盖。
有益效果：
本发明提出以平面等角螺旋天线与球面螺旋天线相结合的形式，此结构不但具有展宽天线低频带宽的能力，还可实现其小型化的目的。该天线工作于800Mhz-20Ghz频带范围内的圆极化天线在整个频段内电压驻波＜2，圆极化度（轴比）≤3dB，增益≥3dB，体积较同样倍频程天线小，结构简单、易于加工，适用于宽带通信、卫星通信等领域。
附图说明
图1是超宽带圆极化天线平面螺旋结构示意图。
图2是超宽带圆极化天线球面螺旋结构示意图。
图3是超宽带圆极化天线馈电结构示意图。
图4是超宽带圆极化天线剖视图。
图5是超宽带圆极化天线外形图。
图6是超宽带圆极化天线平面螺旋计算图。
图7是该圆极化天线的电压驻波比曲线图。
图8是该超宽带圆极化天线的圆极化度（轴比）曲线图。
图9是该超宽带圆极化天线的增益曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图4所述的新型小型化超宽带圆极化天线，包括平面等角螺旋天线部分，球面螺旋天线部分，天线馈电巴伦以及天线反射腔体。所述的平面等角螺旋天线部分嵌入在所述的球面螺旋天线部分的球形介质中，经过平面螺旋部分与螺旋铜钱之间1/4圆周的过渡焊接在一起，如图5所示。所述的天线的馈电巴伦从天线底部穿过天线反射腔体后与平面螺旋天线部分圆心附近的螺旋双臂始端相连接。
如图1和图6所示，为超宽带圆极化天线平面螺旋结构示意图以及尺寸计算图，平面等角螺旋天线部分是由等角螺旋方程算得尺寸，后在覆铜的圆形介质基板上激光雕刻得到。平面等角螺旋部分由平面螺旋双臂构成；其螺旋线其中一臂方程的极坐标表达形式为其中为螺旋线起始半径，为螺旋线外半径，为螺旋线内半径，为螺旋率。另外一臂可有此臂旋转180°得出，因此其方程为。 一般取，此时天线为自互补结构，即天线两臂之间的空隙与臂的形状完全相同，此时天线的对称性最好。
平面螺旋天线的最大半径由最低工作频率的波长决定，一般取，即天线要工作的频率越低就必须要有越大的径向尺寸；天线的最小半径由最高工作频率的波长决定，一般取，即天线要工作的频率越高就必须要有越小的初始半径。但设计时要同时兼顾天线的最大尺寸及能否被加工来决定、的尺寸。
如图2所示为超宽带圆极化天线球面螺旋结构示意图。球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成：首先在球形介质表面雕刻螺旋圆槽，后缠绕上与圆槽同直径的铜线。
球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成。球面螺旋线的直角坐标方程为：,其中为球半径，N表示螺旋线的圈数。球面螺旋作为平面螺旋的加载部分，其主要作用为减小平面螺旋天线工作在低频时的径向尺寸。球面螺旋的具体尺寸主要是根据仿真实验来确定。
图3是超宽带圆极化天线馈电结构示意图，馈电巴伦主要起到非平衡馈电─平衡馈电过渡、阻抗变换的作用。天线馈电巴伦由双层覆铜介质板上雕刻微带渐变线所得。
馈电巴伦为指数渐变形式，其主要作用为实现阻抗过渡和平衡-非平衡的变换。它的方程形式为，、分别为巴伦平衡端的宽度（尺寸小的那端），为非平衡端宽度（尺寸大的那端）相关的常数，为指数渐变率，为巴伦的长度。
进一步地，天线反射腔体为铝制锥形曲面，平面螺旋圆极化天线属于双向辐射类天线，天线下方添加反射腔体4实现其单向辐射，从而提高天线效率。
进一步地，在所述的天线的馈电部分焊接有SMA接头，并在反射腔体底部封有底盖，这样能够提高天线的稳定性以及使用寿命。
图7是该圆极化天线的电压驻波比曲线图。由图7可以看出该天线在整个频带内驻波比均小于2.
图8是该超宽带圆极化天线的圆极化度（轴比）曲线图。由图8可以看出该天线在工作频带内轴比基本上小于3dB，实现圆极化。
图9是该超宽带圆极化天线的增益曲线图。由图9可以看出该天线在工作频带内增益基本上大于3dB。
本发明的小型化超宽带圆极化天线具体的制作过程包括如下步骤：
第一步：参照图1，在覆铜（或其它良导电金属）圆形介质上激光雕刻等角螺旋天线部分;参照图2，在球形介质表面雕刻螺旋圆槽，后缠绕上与圆槽同直径的铜线（或其它良导电金属线）。
第二步：参照图5，平面螺旋部分嵌套入球面介质中，经过平面螺旋部分与螺旋铜钱之间1/4圆周的过渡焊接在一起。
第三步：参照图4，天线的馈电巴伦从天线底部穿过天线的锥形反射腔体后与平面螺旋部分圆心附近的螺旋双臂始端相连接。
第四步：天线的馈电部分焊接上SMA接头，封上底盖。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：包括平面等角螺旋天线部分，球面螺旋天线部分，天线馈电巴伦以及天线反射腔体；平面等角螺旋部分由平面螺旋双臂构成；球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成：所述的平面等角螺旋天线部分嵌入在所述的球面螺旋天线部分的球形介质中，经过平面螺旋部分与螺旋铜钱之间1/4圆周的过渡焊接在一起；所述的天线的馈电巴伦从天线底部穿过天线反射腔体后与平面螺旋天线部分圆心附近的螺旋双臂始端相连接。
2.根据权利要求1所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的的螺旋线其中一臂方程的极坐标表达形式为 其中为螺旋线起始半径，为螺旋线外半径，为螺旋线内半径，为螺旋率，另外一臂由此臂旋转180°而得。
3.根据权利要求1所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的球面螺旋线的直角坐标方程为：,其中为球半径，N表示螺旋线的圈数。
4.根据权利要求1所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的天线馈电巴伦的方程形式为，、分别为巴伦平衡端尺寸小的那端的宽度，为非平衡端尺寸大的那端的宽度相关的常数，为指数渐变率，为巴伦的长度。
5.根据权利要求2所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的平面等角螺旋天线部分是由等角螺旋方程算得尺寸，后在覆铜的圆形介质基板上激光雕刻得到。
6.根据权利要求3所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的球面螺旋天线部分由球形介质及螺旋铜线构成：首先在球形介质表面雕刻螺旋圆槽，后缠绕上与圆槽同直径的铜线。
7.根据权利要求4所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：天线馈电巴伦由双层覆铜介质板上雕刻微带渐变线所得。
8.根据权利要求1所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：所述的天线反射腔体为铝制锥形曲面。
9.根据权利要求1所述的新型小型化超宽带圆极化天线，其特征在于：在所述的天线的馈电部分焊接有SMA接头，并在反射腔体底部封有底盖。
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