CN104134858A - 一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线，其包括，一双臂圆锥螺旋辐射器；一介质支撑锥台，所述双臂圆锥螺旋辐射器附着于介质支撑锥台表面；一馈电巴伦，所述馈电巴伦嵌于所述介质支撑锥台内部中轴位置；一馈电连接器，所述馈电连接器将所述双臂圆锥螺旋辐射器与所述馈电巴伦的上端连接；一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦的下端相连；一耦合环，所述耦合环放置在所述双臂圆锥螺旋辐射器的下方，与其保持一定间距；一介质板，所述介质板置于介质支撑锥台下方，对整个天线起支撑作用。本发明可实现螺旋天线的小型化、宽频带、高效率设计。

Description

一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线，具体是用于作为卫星通信中地球终端的小型宽带圆极化天线。

技术背景

卫星通信是目前被广泛应用的一种先进移动通信技术，它可以解决地面移动通信所不能覆盖区域的通信问题。卫星通信系统是利用卫星作为中继站向用户提供数据业务的通信系统，所利用的卫星既可以是对地静止轨道卫星，也可以是非对地静止轨道卫星，如低高度地球轨道卫星、中等高度地球轨道卫星和高椭圆轨道卫星等。卫星通信系统能扩大移动通信的业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务之外，还可以向空中、海面和复杂地理区域的各类移动用户提供通信服务。

卫星通信设备主要包括星上设备和地球终端设备，其中地球终端设备形式多样，应用场合众多，因此被广泛的研究和推广。随着电子集成技术的发展，通信设备都向着集成化、小型化发展，以满足人们对高性能设备的需求。用于卫星通信的移动地球终端同样也应和着这样的发展趋势。在终端设备中，天线是尺寸最大的部分，尤其工作频率较低时，天线尺寸显得更为突出。但由于天线的尺寸与天线性能有很大关系，天线尺寸缩小将直接导致天线性能下降，因此天线尺寸始终是影响地球终端设备性能的主要因素。

地球终端设备所采用的天线为圆极化天线，圆极化天线可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应，可以提供很好收发性能。目前常用的天线形式有平面微带天线和各种螺旋天线。微带天线结构简单，但由于微带天线为谐振式工作，带宽受到很大的限制；螺旋天线的频带宽、圆极化性能稳定，常用形式有平面螺旋、柱面螺旋、锥面螺旋。平面螺旋横向尺寸大，并且要配合宽带反射腔使用；柱面螺旋横向尺寸小，但高度大；角锥螺旋结合二者的优点，高度和横向尺寸都可以根据需要调整。但工作频率较低时，天线尺寸还是显得很大，而缩小天线尺寸会直接造成圆极化性能恶化、带宽减小。

传统的天线小型化方法，如加载高介电常数的介质、曲流等，都会使天线的带宽、效率等性能恶化。

发明内容

本发明提供了一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线，其包括，一双臂圆锥螺旋辐射器；一介质支撑锥台，所述双臂圆锥螺旋辐射器附着于介质支撑锥台表面；一馈电巴伦，所述馈电巴伦嵌于所述介质支撑锥台内部中轴位置；一馈电连接器，所述馈电连接器将所述双臂圆锥螺旋辐射器与所述馈电巴伦的上端连接；一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦的下端相连；一耦合环，所述耦合环放置在所述双臂圆锥螺旋辐射器的下方，与其保持一定间距；一介质板，所述介质板置于介质支撑锥台下方，对整个天线起支撑作用。

在上述技术方案的基础上，所述双臂圆锥螺旋辐射器由两根螺旋线在圆锥面上逐渐展开，螺旋线的宽度和螺旋线之间的间距受参数控制，可以是固定值也可以按某种规律变化。

在上述技术方案的基础上，所述双臂圆锥螺旋辐射器为金属材质，可以为平面结构也可以为立体结构。

在上述技术方案的基础上，所述介质支撑锥台起支撑和固定所述双臂圆锥螺旋辐射器的作用，其介电常数由实际需要确定。

在上述技术方案的基础上，所述馈电巴伦为双面微带线结构，双面微带线为金属材质。

在上述技术方案的基础上，所述馈电巴伦采用双面微带线采用指数渐变曲线构造，一面采用较窄的指数渐变曲线，另一面采用较宽的指数渐变曲线。

在上述技术方案的基础上，所述馈电连接器为两只金属体，一只将所述馈电巴伦的窄线上端与一臂圆锥螺旋线相连，另一只将所述馈电巴伦的宽线上端与另一臂圆锥螺旋线相连。

在上述技术方案的基础上，所述电缆接头的内芯与所述馈电巴伦的窄线下端相连，外皮与所述馈电巴伦的宽线下端相连。

在上述技术方案的基础上，所述耦合环为金属材质，可以为平面结构也可以为立体结构。

在上述技术方案的基础上，所述介质板中心开有孔，将所述电缆接头从孔中穿过。

与现有技术相比较，直接缩小螺旋天线尺寸会造成工作频带内的低频段阻抗失配，这是由于在低频段表现出显著地谐振特性，天线输入阻抗变化很快，随着频率升高，阻抗逐渐趋于平坦。低频段的失配还会造成螺旋辐射器上的电流显著变化，使天线圆极化性能恶化，增益降低。

本发明在圆锥螺旋尺寸减小的同时，在螺旋底部增加一耦合环，该耦合环与螺旋下端发生耦合作用，可使天线低频段的阻抗特性变得平坦，形成辐射行波特性，可改善天线阻抗匹配。

本发明所提出的耦合环属于无耗结构，所以在缩小天线尺寸的同时不会降低天线效率。

本发明所提出的这种带耦合环的圆锥螺旋天线，不仅继承了常规圆锥螺旋天线的宽频带、高增益的优点，而且明显缩小了天线尺寸，因而同时实现了小尺寸、宽频带、高增益。

附图说明

图1为本发明天线的整体结构图；

图2为本发明天线的结构装配图；

图3为本发明天线的内部结构图；

图4为本发明天线的巴伦正面图；

图5为本发明天线的巴伦反面图；

图6是本发明天线的电压驻波比曲线；

图7是本发明天线在350MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向图；

图8是本发明天线在450MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向图；

图9是本发明天线在550MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向图；

图10是本发明天线在频带内的增益曲线。

具体实施方式

请参考图1-图5，本发明一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线，其包括双臂圆锥螺旋辐射器1，双臂圆锥螺旋辐射器1采用平面结构附着在介质支撑锥台4的圆锥表面，双臂圆锥螺旋辐射器1的双臂螺旋线采用阿基米德等宽线展开，螺旋线的圈数为7～10圈，螺旋线的末端逐渐变细；介质支撑锥台4采用高强度的低介电常数低损耗材料加工而成；双臂圆锥螺旋辐射器1的上端通过馈电连接器2分别与馈电巴伦3的上端相连；馈电巴伦3嵌于介质支撑锥台4内部中轴位置；电缆接头7与所述馈电巴伦3的下端相连；电缆接头7的芯线与馈电巴伦3的窄线301下端连接，外皮与馈电巴伦3的宽线302下端连接。

耦合环5采用电路板腐蚀工艺制作在介质板6的上表面，耦合环5的直径与圆锥双臂螺旋辐射器1的下底面直径相当；介质板6置于介质支撑锥台4底面下方，与介质支撑锥台4贴合在一起。

高频电流由电缆接头7流入馈电巴伦3的下端，经过馈电巴伦的阻抗变换以及平衡馈电转换作用，可实现高频能量的高效传输，从馈电巴伦3的上端可输出等幅反相的高频电流，输出的电流再经由馈电连接器2流入双臂螺旋辐射器1，对称的电流沿双臂螺旋从顶端至末端逐渐展开，并向空间辐射，形成良好的圆极化波。

通常情况，螺旋的臂长在较长情况下才可使螺旋臂上电流接近行波，实现宽带特性，但螺旋臂的加长意味着整体螺旋的尺寸较大，因此螺旋的尺寸较大成为制约其应用的主要问题。在短螺旋的下底面增加一耦合环，耦合环与螺旋末端会发生强耦合，减小螺旋末端的反射电流，可以使螺旋天线在低频频段上也保持较好的行波特性，这意味着加耦合环的螺旋天线可以达到与大螺旋一样的性能。采用该方法可以实现宽带圆锥螺旋天线的小型化设计。

1、仿真内容

请参考图6至图10。利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、方向图及增益进行了仿真。

2、仿真结果

图6是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。从图6可以看出，本发明天线工作在超高频频段，在所示频带内电压驻波比小于2的范围为338～600MHz，表现出良好的宽带特性。以338MHz为归算频率，圆锥螺旋天线的电尺寸为高0.16λ、直径0.3λ。计算结果表明本发明天线具有良好的宽带特性以及小型化外形，可以满足小型卫星通信终端的发展需求。

图7～图9是对实施例天线仿真得到的右旋圆极化(实线)和左旋圆极化(虚线)方向图，分别给出了350MHz、450MHz和550MHz的方向图。方向图表征工作频带内天线在空间的辐射能量分布。从结果可以看出本发明天线在工作频带内都具有良好的定向性，0度方向对应右旋圆极化波，180度方向对应左旋圆极化波，并且0度方向的辐射明显强于180度方向。此外，在±80°范围内，左旋圆极化波显著小于右旋圆极化波，说明天线在前向区域的轴比指标较高，可良好满足卫星通信圆极化波的需求。

图10是对实施例天线仿真得到的增益随工作频率变化的曲线。从图10可以看出，本发明天线在工作频带内具有较高的增益，在377～600MHz范围内，增益都高于4dBic，并且随频率的升高增益逐渐增加，最大增益可以达到7dBic。对于小型化的圆锥螺旋天线这是非常可观的增益，可以提高通信终端的整体性能。

以上仅为本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构、参数和频率进行修改，进而得到本发明天线的小尺寸、宽频带和高增益特性，但这些均在本发明的保护之列。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线,其特征在于，包括：

一介质支撑锥台；

一双臂圆锥螺旋辐射器，所述双臂圆锥螺旋辐射器附着于介质支撑锥台表面；

一馈电巴伦，所述馈电巴伦嵌于所述介质支撑锥台内部中轴位置；

一馈电连接器，所述馈电连接器将所述双臂圆锥螺旋辐射器与所述馈电巴伦的上端连接；

一电缆接头，所述电缆接头与所述馈电巴伦的下端相连；

一耦合环，所述耦合环放置在所述双臂圆锥螺旋辐射器的下方，共轴放置，并与其保持间距。

一介质板，所述介质板置于介质支撑锥台下方，并与介质支撑锥台贴合在一起。

2.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述双臂圆锥螺旋辐射器由两根螺旋线在圆锥面上逐渐展开，螺旋线的宽度和螺旋线之间的间距受参数控制，螺旋线的宽度和螺旋线之间的间距是固定值或者按某种规律变化。

3.如权利要求2所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述双臂圆锥螺旋辐射器为金属材质，其结构是平面结构或者立体结构。

4.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述介质支撑锥台起支撑和固定所述双臂圆锥螺旋辐射器的作用，其介电常数由实际需要确定。

5.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述馈电巴伦为双面微带线结构，双面微带线为金属材质。

6.如权利要求5所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述双面微带线采用指数渐变曲线构造，一面采用较窄的指数渐变曲线，另一面采用较宽的指数渐变曲线。

7.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述馈电连接器为两只金属体，一只将所述馈电巴伦的窄线上端与一臂圆锥螺旋线相连，另一只将所述馈电巴伦的宽线上端与另一臂圆锥螺旋线相连。

8.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述电缆接头的内芯与所述馈电巴伦的窄线下端相连，外皮与所述馈电巴伦的宽线下端相连。

9.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述耦合环为金属材质，其结构为平面结构或者立体结构。

10.如权利要求1所述的宽带小型化圆锥螺旋天线，其特征在于：所述介质板中心开有孔，将所述电缆接头从孔中穿过。