CN104247151B - 具有调制分形图案的正弦曲线的紧凑型螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋天线，包括回转形体以及多个绕着所述回转形体螺旋缠绕的辐射线，其特征在于，每个辐射线由分形图案的重复限定，其中分形图案包括由正弦曲线组成的各分段。

Description

具有调制分形图案的正弦曲线的紧凑型螺旋天线

技术领域

本发明涉及螺旋型天线，尤其涉及四臂印刷式螺旋天线。此类天线尤其应用在L波段遥测系统(操作频率包含在1GHz到2GHz之间，通常在1.5GHz附近)，用于平流层气球有效载荷。

背景技术

螺旋型印刷天线的优点是制作简单并且成本低。

这种天线尤其适用于圆极化L波段遥测信号，该信号用在平流层气球有效载荷。

这种天线呈现良好的轴向比，因此在仰倾角的较宽范围内良好的圆极化。

专利文献EP0320404描述了一种印刷螺旋型天线以及其制作过程。

此种天线包括金属条形式的四根辐射线，金属条通过去除印刷电路的金属包层带两侧的金属包层材料来获得。印刷电路设计为围绕圆柱体缠绕成螺旋状。

然而，这些天线虽然呈现良好性能时，其是庞大的。

包括弯曲辐射线的紧凑型螺旋天线已经被提出，用于减小此类天线的尺寸。

文献：Y.Letestu、A.Sharaiha，Ph.Besnier的“一种印刷四臂螺旋天线尺寸减小配置”，关于天线技术的IEEE研讨会：小型天线以及新颖元材料，2005,326页-328页，2005年3月。该文献描述了此类紧凑型天线。

尽管在体积上获得了近似35％(降低高度)的改善，然而，尤其是在交叉极化以及在返回辐射中，性能被劣化，表明就减小此类天线的尺寸而言，此类图案使用具有局限性。

文献FR2916581号文件描述了一种螺旋天线，其包括由分形图案重复组成的辐射线。

然而，这些图案的使用不允许天线尺寸的显著减小。

此外，就设计者能够加以利采用来调节和优化紧凑天线的性能而言，由直线分段构成的分形图案具有非常小的自由度，。此外，在给定天线的高度时，存在非常少的包括这些图案的解决方案。

发明内容

本发明使得可以减小公知类型的螺旋天线的总体尺寸，尤其是减小此类天线的高度。

为此，根据第一方面，本发明涉及一种螺旋型天线，具有回转形体和多根辐射线，其特征在于，每个辐射线由分形图案的重复限定，其中分形图案包括由正弦曲线组成的各分段。

本发明通过下述每项特征或者技术上任何可能的组合得以有利地补充：

每个分段对应于由公式限定的正弦曲线的半个周期，式中，S是在{-1；+1}范围内取值的整数，k是正弦的振幅与其半波长的比值；

分形图案的每个分段有相同的长度；

分形是冯·科赫型的，其中每个直线段由正弦分段替代；

每根辐射线由在套管的侧表面上缠成螺旋状的限定金属包层区构成，使得每根辐射线的准轴与相邻辐射线的轴分离开规定的距离，规定的距离限定为沿着所述套管的任何准线的任何垂线的两点之间的距离，每个点由辐射线的轴线与所述套管的任何准线的垂线之间的交点限定；

所述回转形体是圆柱形或圆锥形；

所述天线包括四根相同的辐射线；

解绕的辐射线的长度处于的量级，式中，λ是所述天线的操作波长。

附图说明

根据下述说明本发明的其它的特征以及优点将变得显而易见，下述说明是纯说明性的而非限制性的并且需要参照附图进行解读。

图1以展开的形式示意性地示出公知类型的螺旋天线，其包括直线形辐射线；

图2示意性地示出包括直线形辐射线的公知类型的螺旋天线的前视图；

图3a、3b以及图3c示出具有直分段以及具有由正弦曲线组成的分段的冯·科赫型参考图案；

图4a、4b以及4c分别示出1阶分形、2阶分形以及3阶分形的第一参考图案；

图5a、5b以及5c分别示出1阶分形、2阶分形以及3阶分形的第二参考图案；

图6a、6b以及6c分别示出1阶分形、2阶分形以及3阶分形的第三参考图案；

图7a以及7b分别示出1阶分形以及2阶分形的第四参考图案；

图8a以及8b分别示出根据第五实施例的用于辐射线图案的1阶分形以及2阶分形的参考图案；

图9a、9b、9c示出根据多个实施例的具有由正弦曲线组成的分段的冯·科赫型参考图案；

图10示出根据本发明的螺旋型天线的一实施例。

具体实施方式

天线的一般结构

图1以及图2分别示出了包括缠绕成螺旋状的四根辐射线的螺旋天线的展开图以及前视图。

此天线包括两部分1、2。

部分1包括导电区10以及四根辐射线11、12、13以及14。

部分1上，所述螺旋型天线包括四根辐射线11、12、13、14，四根辐射线例如围绕套管15以旋转形状缠绕成螺旋状。

在该部分上，一方面，所述辐射线11-14在辐射线的第一端部111、121、131、141处以短路形式连接于所述导电区10，并且另一方面，在所述辐射线的第二端部112、122、132、142处连接馈电电路20。

天线的辐射线11-14可以是相同的并且其数量例如是四个。在这种情况下，天线是四臂的。

天线缠绕其上的所述套管15在图1中以虚线示出，以构成如图2所示的天线。

所述辐射线11-14的定向方式是，每根辐射线的支撑轴线AA’、BB’、CC’以及DD’相对于与所述套管15的任何准线L正交的任何平面成α角度。

该角度α对应于所述辐射线的螺旋缠绕角。

每个辐射线11-14包括包层金属区。

在图1以及图2中，部分1的包层金属区是相对于所述辐射线的准轴AA’、BB’、CC’、DD’对称的条。

两个相继辐射线之间的距离d定义为沿着所述套管15的任何准线L的任何垂线的两点之间的距离，每个点定义为所述垂线与所述辐射线的轴线的交点。

例如，为了获得对称的四臂天线，该距离d将被设定为所述套管15的周长的四分之一。

支撑金属条的基底呈螺旋状缠绕在所述套管15的侧表面上。

根据此天线的一实施例，所述两部分1、2形成在印刷电路100上。

辐射线11-14于是是通过去除所述印刷电路100表面上的、包层金属区的条带的两侧的材料而获得的金属条。

所述印刷电路100被设计为围绕套管15缠绕，套管15具有大致回转形体，例如圆柱或者圆锥。

所述天线的部分2包括所述天线的馈电电路20。

所述天线的馈电电路20由带线型弯曲输电线组成，提供分布馈电以及适应天线的辐射线11-14的两个功能。

辐射元件的馈电在具有90°相位差的相位过程的相等振幅处完成。

如图1以及图2中示出的螺旋型天线的尺寸的减小，对于所述天线的部分1的辐射线来说，通过使用将在下文中描述的特定图案来获得。所述天线的部分2，就其自身而言是公知的类型并且其不再进一步描述。

辐射线的图案

所述辐射线由分形组成，分形包括由正弦曲线组成的分段。

所述分形图案的基本元素被称为分段。

图3a示出了包括3个基本元素30,31,33的冯·科赫(Von Koch)型分形的参考图案。此图案是1阶分形。在图3a中，所述基本元素是直线分段。

分形有自相似性的属性；其由其自身的不同比例的复制品组成。这些是自相似的并且是非常不规则的曲线。

分形特别是由参考图案的减小复制品组成。

分形通过由减小参考图案、然后将所获得的图案应用于参考图案构成的迭代步骤产生。

通过将同样减小的参考图案应用于参考图案的每个分段的中心等等来获得更高阶。

参考图案相对于图案的准轴可能是简单的或者交错的。

图案本身的选择由天线的辐射性能支配。

对于产生冯·科赫型分形，可参考网页

http://www.mathcurve.com/fractals/koch/koch.shtml。

为了减小天线的高度同时保持相同的操作频率(共振)，分形图案的每个直线分段由正弦分段替代。

此种替代使得：对于给定的高度可以增加辐射线的展开长度，或者对于给定的展开长度可以减小天线的高度。

天线的共振频率由辐射线的展开长度设定。此展开长度取决于螺旋的参数(高度、半径以及匝数)以及所用图案的几何形状。

图3b示出了用于螺旋天线的辐射线的参考图案，分形图案的每个分段30’、31’、32’、33’由正弦分段组成。

图3a的情况下，其是一阶冯·科赫型分形图案，由四条相同长度(L’/3，L’是所述图案的水平长度)的直线分段组成。在图3b的情况下，冯·科赫图案的长度为L’/3的每个分段(图3a所示者)被正弦分段(即，正弦的半个周期)替代。

图案的所有分段具有相同的长度。

分形图案由三个参数限定：

参考图案的每个重复的尺寸(分形图案的1阶)；

重复的数量，称为单元数量；

分形的迭代，称为分形的阶数。

此外，天线的辐射线由下列参数限定：

展开长度；

对应于辐射线的螺旋缠绕角度的角度α。

单元的长度L。

限定分形轮廓的正弦尤其可通过下述函数限定：式中：S是在{-1；+1}范围内取值的整数，在分段上是恒定的分段，k是正弦的振幅与其半波长(半周期)的比值。因此，将会理解，调制分形图案的正弦被限定在一个周期。

图3b中，图案是S＝+1时的图案，而图3c中，图案是S＝-1时的图案。

因此，该参考图案由构成分形图案的的相继交替正弦弧线组成。

函数可以一个分段一个分段地定义，或者通过采用沿着图案的曲线坐标来定义。

在图3b的情况下，上述所限定的函数以各部分包括两个分段的形式加以应用(一方面是分段30,31，并且另一方面是分段32,33)。

在图3a的情况下，中心分段形成60°的角度。为了获得图3b的图案，所述函数首先应用于两个直线分段，而它们以60°定向。对于S＝+1，k取不同值时的图案显示于图9a、9b以及9c中。

对于冯·科赫分形的每个对应分段，所述参数k使得可以增加展开长度：此处是有更大展开长度的正弦分段，其替代短的直分段。正弦的振幅越大，张开的长度越大。然而，需要避免当k取过大值时辐射线的重叠。

也可考虑分形图案的其它类型，其中每个分段被正弦曲线替代。

图4a，5a，6a，7a以及8a示出了参考图案(1阶分形)，其各分段是直线型的。

在图4a中，参考图案是等腰梯形，其中长底边被去除。

在图5a中，参考图案是三角形，其中底边被去除。

在图6a中，参考图案是正方形，其中底边被去除。

在图7a中，参考图案包括两个反向的等腰梯形，其间距等于短底边的宽度，其中长底边被去除。从短底边朝长底边延伸的侧边的角度为θ。

在图8a中，参考图案包括两个等边三角形，其间距等于侧边的宽度，其中底边被去除。

图4b、5b、6b、7b以及8b分别示出了图4a、5a、6a、7a以及8a的参考图案分别一次迭代之后的2阶分形图案。

图4c、5c、6c分别示出了图4a、5a、6a的参考图案二次迭代之后的3阶分形图案。

在某些图案情况下，尤其是图4a、6a以及7a中示出的类型的那些图案，同一个单元的线之间的交叉是可能的。

为了避免此类交叉，可调整角度β(见图4a，6a以及图7a)。

角度β是第一倾斜分段与去除的底边之间的角度。

该角度β的调整允许减小辐射线的长度。

在冯·科赫图案的情况下，在1阶时，1阶下的图案的展开长度与长度的比值是4/3。在3阶时，比值是(4/3)3，值小。

为了获得更大的减小，可调整角度β。冯·科赫图案的等边三角形于是变为等腰三角形而非等边的，而两三角形分段比先前的等边三角形的分段更长(长度L’恒定)。长度为L’/(6·cosβ)，并且展开长度与长度L’的比值由下式给出：

${\left(\frac{\frac{L^{\′}}{3}+2\frac{L^{\′}}{6\cos \mathrm{\β}}+\frac{L^{\′}}{3}}{L^{\′}}\right)}^n={\left(\frac{2cos\mathrm{\β}+1}{3\cos \mathrm{\β}}\right)}^n$

式中n为分形曲线的阶数。以这种方式，可以在同一长度范围内部署配置更长的辐射线长度。此参考图案被称为“修正的冯·科赫”图案。

如前，上文所描述的构成分形图案的每个分段由正弦曲线组成。为了易读性，这些图案未示出，但是在参见了上述描述的情况下，本领域的技术人员可理解如何实现这样的螺旋天线：其辐射线由分形图案构成，其各个分段由正弦分段构成。

实例和性能

制作并测试一种包括冯·科赫型分形的螺旋型天线，其各个分段由正弦分段替代。图10示出了此天线的实施例。

特别是，此天线的性能被测试，并且与具有直线辐射线的四臂型(参考)天线相比较，天线的高度为514mm。

下列表格列出了用于辐射线的不同参数。基础分形是冯·科赫图案。

可以观察到天线的高度减小。在上述表格中，相对尺寸(％)作为紧凑型天线的高度与参考图案的高度(514mm)的比值进行计算。

此外，可观察到的是，基于具有2阶的正弦分段并且有2个单元的冯·科赫图案的天线获得最佳性能。在137MHz以及在其共振频率(144MHz)时，此天线有相同的图形。此外，其高度为198mm(相对尺寸为38.5％)，这减小了参考天线高度的61.5％。

Claims (6)

1.一种螺旋型天线，具有回转形体以及多个围绕回转形体缠绕成螺旋状的辐射线，其特征在于，每根辐射线由分形图案重复限定，分形图案包括分段，正弦曲线已经应用在分形图案的每个分段上以使得每根辐射线具有由连续正弦曲线构成的图案，以及其中，每个分段对应于由限定的正弦曲线的半个周期，式中，S是在{-1；+1}范围内取值的整数，k是正弦的振幅与其半波长的比值，L’是所述图案的长度。

2.根据权利要求1所述的螺旋型天线，其中，所述分形图案的每个分段有相同的长度。

3.根据权利要求1所述的螺旋型天线，其中，所述分形是冯·科赫型的，其每个直线段被正弦分段替代。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其中，每根辐射线由在套管(15)的侧表面上缠绕成螺旋状的规定包层金属区构成，使得每根辐射线的准轴(AA’、BB’、CC’、DD’)与相邻辐射线的轴分离一规定距离(d)，规定距离限度为沿着所述套管(15)的任何准线(L)的任何垂线的两点之间的距离，每个点由辐射线的轴线与所述套管(15)的任何准线(L)的垂线之间的交点限定。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述回转形体(15)是圆柱形或圆锥形。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述天线包括四个相同的辐射线。