CN104638348B - 螺旋线天线结构及基于该结构的高增益天线及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺旋线天线结构及基于该结构的高增益天线及其安装方法。包括天线本体、匹配装置和压缩展开机构；所述天线本体为轴向螺旋天线；所述匹配装置为天线本体最底部1匝天线的底部1/4匝螺旋线；所述1/4匝螺旋线为变螺距螺旋线，螺距为原螺距的0.08到0.12倍，进行收拢安装后，再在轨展开工作。省去了传统的匹配变换电路，不增加安装平面尺寸，不增加轴向尺寸,完成了天线本体和馈线的匹配；实现了ADS‑B高增益天线在微小卫星有限安装空间内的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋线天线结构及基于该结构的高增益天线及其安装方法，特别是涉及一种适用于微小星载ADS-B高增益天线的螺旋线天线结构及基于该结构的高增益天线及其安装方法。
背景技术
美国ADS-B公司于2010年发射了“全球星（Globalstar）”卫星，上面搭载的ALAS（ADS_B Link Augmention System）系统，用于接收ADS-B 1090ES和UAT数据链的目标信息，为大洋上空的飞行器提供空管监视，从而代替ADS-C服务。通过在卫星上使用ADS-B接收机实现空管监视，解决海洋、山区等地区无法安装二次监视雷达和ADS-B地面站的问题。
ADS-B天线以轴向螺旋天线的形式加装在BUAA-SAT低轨微小卫星平台，用于接收、处理空域内的飞机或者机场场面的飞机、车辆信息，以便于用户监视范围空域内的实时交通态势，获得准确有效的空域情报。
星载天线近年来发展态势迅猛，形式多种多样，以微带天线、反射面天线、轴向螺旋天线形式居多。由于星载ADS-B天线须有14dB以上的高增益，且加装平台为微小卫星的火箭对接环内，内部空间最大尺寸为Φ200mm×H50mm，行业领域内暂无此应用方案。
微带天线、反射面天线可实现高增益，但由于天线外形尺寸过大，难以在平台要求的空间尺寸内安装。又因其天线形式的特殊性，也难于以收拢安装、在轨展开工作的方案实现其应用。
轴向螺旋天线在不改变螺旋面所在平面的尺寸的前提下，通过增加轴向尺寸（改变匝数和螺距）实现其高增益，但由于该天线的特殊形式和原理，对于10dB以上的增益，轴向尺寸的增加对增益的贡献已经不大。为实现ADS-B天线14dB的增益，螺旋线匝数会达到15匝以上，该天线就算采取轴向压缩安装的方式，也装不进Φ200mm×H50mm的空间。对于阻抗匹配装置，如采取业内常用的匹配变换电路，也会更多占用安装平面尺寸，增加轴向尺寸，且会与压缩安装产生空间干涉。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够省去天线匹配装置的螺旋线天线结构，及基于该天线结构的微小星载ADS-B高增益天线及其安装方法，实现ADS-B高增益天线在微小卫星有限空间内的应用。
本发明采用的技术方案如下：一种螺旋线天线结构，其特征在于：天线本体最底部一匝天线的最底部1/4匝螺旋线螺距突变，新螺距为原螺距的0.08到0.12倍。
作为优选，所述新螺距为原螺距的0.1倍。
一种微小星载ADS-B高增益天线，其特征在于：包括天线本体、匹配装置和压缩展开机构；所述天线本体为轴向螺旋天线；所述匹配装置为天线本体最底部1匝天线的底部1/4匝螺旋线；所述1/4匝螺旋线为变螺距螺旋线，螺距为原螺距的0.08到0.12倍。
作为优选，所述天线本体螺距为0.185λ，其中λ为天线本体接收信号的信号波长。
作为优选，所述1/4匝螺旋线螺距为原螺距的0.1倍。
作为优选，所述天线本体为Ti_Ni单程记忆合金。
一种基于上述ADS-B高增益天线的天线安装方法，具体方法为：天线本体与馈线端口焊接在一起，并固定在底板上；通过内部弹簧支架、压板和固定架的配合，把天线本体按照设计尺寸，以轴向垂直于底板的方式固定于底板上，穿过拉绳孔的绳子收于天线底板之下，处于受力自然释放状态，释放长度等于整个天线的轴长；固定板与固定架配合，通过固定板把天线本体压缩在固定架上，用特种绳穿过固定孔紧固，使整个天线压缩尺寸小于安装空间尺寸，安装于微小卫星火箭的对接环内；天线在轨后，通过平台熔断装置，使天线紧固绳熔断通过固定孔的特种绳，天线本体自然释放；通过拉绳孔的拉绳使天线本体状态逐渐稳定，恢复其工作状态的尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：省去了传统的匹配变换电路，不增加安装平面尺寸，不增加轴向尺寸,完成了天线本体和馈线的匹配；实现了ADS-B高增益天线在微小卫星有限安装空间内的应用。
附图说明
图1为本发明微小星载高增益天线其中一实施例中螺距为0.185λ的实验数据表格图。
图2为图1的仿真效果数据图。
图3为螺距为0.222λ的实验数据表格图。
图4为图3的仿真效果数据图。
图5为螺距为0.255λ的实验数据表格图。
图6为图5的仿真效果数据图。
图7为螺距为0.28λ的实验数据表格图。
图8为图7的仿真效果数据图。
图9为本发明微小星载高增益天线其中一实施例的结构示意图。
图10为图9中的部分结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本具体实施例以微小星载ADS-B高增益天线，装置有限空间为≤Φ200mm×H30mm为例进行详细说明。
一种微小星载ADS-B高增益天线，包括天线本体、匹配装置和压缩展开机构；所述天线本体为轴向螺旋天线；所述匹配装置为天线本体最底部1匝天线的底部1/4匝螺旋线；所述1/4匝螺旋线为变螺距螺旋线，螺距为原螺距的0.08到0.12倍。
为实现阻抗匹配，摒弃业内轴向螺旋天线使用微带匹配变换电路进行阻抗变换的方式。采用1/4匝变螺距螺旋线，即将天线本体最底部一匝的1/4匝螺旋线由原螺距S突变原螺距的0.08到0.12倍。在本具体实施例中，所述1/4匝螺旋线螺距为原螺距的0.1倍。能够省去传统的匹配变换电路，不增加安装平面尺寸，不增加轴向尺寸, 满足于安装空间尺寸Φ200mm×H30mm，完成了天线本体和50欧姆馈线的匹配。
因省去了传统的微带匹配变换电路，因此压缩安装时，不存在匹配变换电路与天线本体及压缩展开机构的结构空间干涉，在本具体实施例中，不增加安装平面尺寸，轴向尺寸依然为30mm（不包含压缩展开装置），小于安装空间尺寸Φ200mm×H30mm，完成了天线本体和50欧姆馈线的匹配。
经过研究，天线轴向尺寸为610mm左右，在不同螺距值时的增益值变化如图1～图8所示，其中，图1和图2为螺距S=51mm（0.185λ），匝数N=12，实现增益G=14.22dB；图3和图4为螺距S=61 mm（0.222λ），匝数N=10，实现增益G=13.15dB；图5和图6为螺距S=70 mm（0.255λ），匝数N=9，实现增益G=12.32dB；图7和图8为螺距S=77 mm（0.28λ），匝数N=8，实现增益G=1.46dB。结论显示，在实验的螺距S变化范围内，轴向尺寸一定，螺距S越小，增益越高。在大螺距值情况下，天线轴向尺寸更大，结构上维持其稳定性难度更大。通过口径与增益比计算，增益要达到14dB，图3的天线匝数至少需13匝，图5的天线匝数至少需14匝，图7的天线匝数至少需15匝，如考虑到轴向损耗，匝数会更多，压缩后不能安装于微小卫星的火箭对接环内。
为实现其高增益，并安装在微小卫星的火箭对接环内，在本具体实施例中，摒弃业内常用的微带天线、反射面天线形式，采用轴向螺旋天线形式，并一改业内轴向螺旋天线通常采用的螺距设计方式，业内螺距设计值在0.22λ～0.28λ范围内。本天线直径91mm，螺距值S缩小为0.185λ(51mm)，共12匝螺旋线，其中λ为天线本体接收信号的信号波长。天线展开后轴向尺寸达620mm(匝数12×螺距51mm)左右，可实现天线14dB高增益指标，压缩安装后，轴向尺寸为2mm(线径)×12匝+4mm(压缩装置)=28mm，小于安装空间尺寸Φ200mm×H30mm，可安装于微小卫星的火箭对接环内。
在本具体实施例中，所述天线本体为Ti_Ni单程记忆合金。
采用轴向螺旋天线形式，并一改业内轴向螺旋天线通常采用的螺距设计值（0.22λ～0.28λ），采用小螺距值（0.185λ）设计。实现天线高增益指标的同时，降低了压缩安装后的轴向尺寸，小于安装空间尺寸Φ200mm×H30mm。
如图9和图10所示，基于上述ADS-B高增益天线的天线安装方法，具体方法为：天线本体1（含匹配装置2）与馈线端口8焊接在一起，并固定在底板上；通过内部弹簧支架、压板3和固定架5的配合，把天线本体1按照设计尺寸，以轴向垂直于底板的方式固定于底板上，穿过拉绳孔7的绳子收于天线底板之下，处于受力自然释放状态，释放长度等于整个天线的轴长；固定板4与固定架5配合，通过固定板4把天线本体1压缩在固定架5上，用特种绳穿过固定孔6紧固，使整个天线压缩尺寸小于安装空间尺寸，安装于微小卫星火箭的对接环内；天线在轨后，通过平台熔断装置，使天线紧固绳熔断通过固定孔6的特种绳，天线本体1自然释放；通过拉绳孔7的拉绳使天线本体状态逐渐稳定，恢复其工作状态的尺寸。
在天线中，外部信号通过馈线端口8进入天线，并经匹配装置2进入天线本体1， 最终由天线本体1向空间辐射与螺旋旋向一致的圆极化波。各个结构部件的尺寸最终保证了空间合成的方向图（即电气指标）完全满足设计要求
天线压缩安装在微小卫星的火箭对接环的有限空间内（≤Φ200mm×H30mm），通过在轨释放展开实现其14dB的高增益，填补业内空白。采用压缩展开机构实现天线压缩安装、在轨释放展开，并固化天线工作状态时的外形尺寸，以保证各项电气指标的实现。
Claims (4)
1.一种微小星载ADS-B高增益天线的天线安装方法，所述高增益天线包括天线本体、匹配装置和压缩展开机构；所述天线本体为轴向螺旋天线；所述匹配装置为天线本体最底部1匝天线的底部1/4匝螺旋线；所述1/4匝螺旋线为变螺距螺旋线，螺距为原螺距的0.08到0.12倍；
具体安装方法为：天线本体与馈线端口焊接在一起，并固定在底板上；通过内部弹簧支架、压板和固定架的配合，把天线本体按照设计尺寸，以轴向垂直于底板的方式固定于底板上，穿过拉绳孔的绳子收于天线底板之下，处于受力自然释放状态，释放长度等于整个天线的轴长；固定板与固定架配合，通过固定板把天线本体压缩在固定架上，用特种绳穿过固定孔紧固，使整个天线压缩尺寸小于安装空间尺寸，安装于微小卫星火箭的对接环内；天线在轨后，通过平台熔断装置，熔断通过固定孔的特种绳，天线本体自然释放；通过拉绳孔的绳子使天线本体状态逐渐稳定，恢复其工作状态的尺寸。
2.根据权利要求1所述的微小星载ADS-B高增益天线的天线安装方法，所述天线本体螺距为0.185λ，其中λ为天线本体接收信号的信号波长。
3.根据权利要求1或2所述的微小星载ADS-B高增益天线的天线安装方法，所述1/4匝螺旋线螺距为原螺距的0.1倍。
4.根据权利要求3所述的微小星载ADS-B高增益天线的天线安装方法，所述天线本体为Ti_Ni单程记忆合金。
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