CN104701622B

CN104701622B - 宽波束多臂缝隙螺旋天线

Info

Publication number: CN104701622B
Application number: CN201510112414.8A
Authority: CN
Inventors: 郭景丽; 杨宇航; 邹艳林; 邓敬亚; 孙保华
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-03-14
Filing date: 2015-03-14
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-03-14
Also published as: CN104701622A

Abstract

本发明公开了一种宽波束多臂缝隙螺旋天线，用于解决现有四臂螺旋天线馈电结构复杂的问题。包括环形柱状介质基板(1)、环形锥状介质基板(2)、环形柱状金属贴片(3)、环形锥状金属贴片(4)、串馈微带线(5)、同轴接口(6)和负载电阻(7)；环形柱状介质基板(1)的内外表面分别印制有串馈微带线(5)和环形柱状金属贴片(3)，该串馈微带线(5)上设置有N个均匀分布的扇形片(51)，环形柱状金属贴片(3)上蚀刻有与扇形片(51)对应的耦合调节缝隙(31)；环形锥状介质基板(2)外表面印制有蚀刻辐射螺旋缝隙(41)的环形锥状金属贴片(4)。本发明具有馈电结构简单和波束宽的优点，可用于通讯、导航等领域。

Description

宽波束多臂缝隙螺旋天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽波束多臂缝隙螺旋天线，可用于通讯、导航等多功能飞行器综合系统天线。

背景技术

全球卫星导航定位系统GNSS的关键作用是提供时间、空间基准和所有与位置相关的实时动态信息。它是国防安全、国土安全、公共安全和经济安全的战略威慑基础资源和重大技术支撑系统。目前全球运营的卫星导航系统有美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统和中国的北斗二代卫星导航定位系统。一般天线由于其相位中心不稳定会带来厘米级以上甚至是十米级以上的误差，无法实现精密测量技术需要的毫米级测量精度。

为解决上述问题而设计的高稳定相位中心天线类型多样，其中以多臂平面缝隙螺旋天线和四臂螺旋天线为代表。多臂平面缝隙螺旋天线由正反两面分别蚀刻有辐射缝隙和串馈微带线的介质基板及金属反射腔构成，具有相位中心稳定、体积小、结构简单、易加工等优点，常被用作全球卫星导航系统的导航、定位、测量天线。如中国发明专利，公开号为CN103904408A，公开了一种稳定相位中心测量天线，通过多个平面螺旋缝隙天线保证天线的高稳定相位中心，馈电网络采用串行行波微带线馈电电路，结构简单，但平面缝隙螺旋天线波束较窄，无法接收位于大仰角处的卫星信号，平面螺旋天线剖面较低，但是径向尺寸较大，在某些场合不适用。四臂螺旋天线具有心型的方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性,十分适合作为卫星定位系统接收天线。如中国发明专利，公开号为CN101702463A，公开了一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其结构如图1所示，该天线由馈电网络和四根金属螺旋线构成，该发明结构利用宽带馈电网络对四线螺旋进行等幅和90°相位差馈电，其馈电网络由多个Wilkinson功分器和移相器构成。结构复杂且限制了天线最多只能有四个辐射臂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述四臂螺旋天线存在的缺点，提出了一种宽波束多臂缝隙螺旋天线，用解决现有四臂螺旋天线馈电结构复杂的问题，以简化天线的馈电结构，提高天线的工作性能，扩展其应用范围。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种宽波束多臂缝隙螺旋天线，包括辐射介质基板、辐射金属贴片和馈电网络，其特征在于：所述辐射介质基板为环形锥状介质基板2，所述辐射金属贴为环形锥状金属贴片4，所述馈电网络由环形柱状介质基板1、环形柱状金属贴片3、串馈微带线5、同轴接口6和负载电阻7组成；在环形锥状介质基板2的外表面印制有环形锥状金属贴片4，该环形锥状金属贴片4上蚀刻有N个均匀分布的辐射螺旋缝隙41，4≤N≤8；在环形柱状介质基板1内表面印制有串馈微带线5，在环形柱状介质基板1外表面印制有环形柱状金属贴片3，该串馈微带线5首端与同轴接口6相连，其末端通过负载电阻7与环形柱状金属贴片3相连；所述环形锥状介质基板2固定在环形柱状介质基板1的上方，环形锥状金属贴片4和环形柱状金属贴片3固定连接；辐射螺旋缝隙41的旋转方向与串馈微带线5的馈电方向相反。

上述宽波束多臂缝隙螺旋天线，环形柱状介质基板1的外径为Ld，在其侧壁靠近下端面的位置设置有金属化过孔。

上述宽波束多臂缝隙螺旋天线，环形锥状介质基板2的下端外径与环形柱状介质基板1外径相等,上端外径为Lu，0≤Lu＜Ld。

上述宽波束多臂缝隙螺旋天线，串馈微带线5的周长与其波导波长相等，用以实现相邻辐射螺旋缝隙41之间2π/N的相位差，该微带线上设置有N个均匀分布的扇形片51，其与辐射螺旋缝隙41的数量相等，扇形片51的圆心朝向该微带线的首端。

上述宽波束多臂缝隙螺旋天线，环形柱状金属贴片3上蚀刻有均匀分布的耦合调节缝隙31，该耦合调节缝隙31由扇形缝隙33和矩形缝隙32组成，矩形缝隙32与扇形片51的圆心的位置对应，其上端与辐射螺旋缝隙41的下端对齐，环形柱状金属贴片3和环形锥状金属贴片4焊接相连。

上述宽波束多臂缝隙螺旋天线，扇形缝隙33的半径r和圆心角θ可调，从而控制各缝隙的耦合馈电幅度相同。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用串馈微带线和负载电阻结合的串行行波馈电结构，简化了天线馈电网络，便于制作加工；同时克服了现有四臂螺旋天线对臂数的限制，使天线对称性更好，进一步提高了天线的相位中心稳定度。

2、本发明由于在环形锥状金属贴片上设置有辐射螺旋缝隙，保留了传统四臂螺旋天线波束宽的优点。

3、本发明由于在串馈微带线上设置有N个均匀分布的扇形片，增强了能量从串馈微带线耦合至金属缝隙的能力，有效提高了天线增益。

4、本发明由于在缝隙末端加载耦合调节缝隙，通过调节该耦合调节缝隙的大小，保证各缝隙耦合到的能量基本相等，减小了天线轴比。

附图说明

图1是现有四臂螺旋天线的结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的馈电耦合结构示意图；

图4是本发明的串馈微带线结构示意图；

图5是本发明实施例1的S₁₁-频率仿真结果图；

图6是本发明实施例1的轴比-频率仿真结果图；

图7是本发明实施例1的不同平面的辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

参照图2，环形柱状介质基板1内表面印制有串馈微带线5，在环形柱状介质基板1外表面印制有环形柱状金属贴片3；串馈微带线5上均匀分布有6个扇形片51；环形柱状金属贴片3上蚀刻有6个均匀分布的耦合调节缝隙31，耦合调节缝隙31由矩形缝隙32和扇形缝隙33构成，通过调节各个扇形缝隙33的半径和角度，保证各缝隙的耦合馈电幅度相同；串馈微带线5下边缘与矩形缝隙32下边缘处于同一水平面，且扇形片51的圆心与矩形缝隙32的位置对应，其首端与同轴接口的内芯相连，末端通过负载电阻7与环形柱状金属贴片3连接。环形柱状介质基板1的上方设置有环形锥状介质基板2，其下端外径与环形柱状介质基板1外径相等，两者通过粘合剂粘合，环形锥状介质基板2采用介电常数为2.2的板材，上端外径Lu＝20mm，板材厚度为0.2mm，高度H2＝85mm；环形锥状介质基板2的上端外径还可以随着具体需求变化，其变化范围在0和下端外径之间；环形锥状介质基板2的外表面印制有环形锥状金属贴片4，其上蚀刻有6个均匀分布的辐射螺旋缝隙41，辐射螺旋缝隙41绕环形锥状金属贴片4的轴心旋转252°，其旋转角度也可以根据具体情况作调整，该辐射螺旋缝隙41在铅垂方向的宽度Ls＝8mm，其下端设置有与耦合调节缝隙31连接的过渡缝隙，其与环形金属贴片3上的矩形缝隙32宽度相等；各辐射螺旋缝隙41的过渡缝隙与各耦合调节缝隙31对齐，环形柱状金属贴片3和环形锥状金属贴片4焊接相连。

参照图3，环形柱状介质基板1采用介电常数为6.15的板材，其外径Ld＝40.22mm，厚度Lt＝2mm，高度H1＝15mm；矩形缝隙32的水平方向宽度Lr＝1.4mm，铅垂方向宽度Lv＝5mm；距离同轴接口最近的扇形缝隙半径r1＝7mm，θ1＝30°，其余5个扇形缝隙半径r均为8mm，圆心角θ为30°；负载电阻7采用阻值为50Ω的贴片电阻，串馈微带线5采用50Ω同轴线馈电。

参照图4，串馈微带线5的宽度Dm＝2mm，扇形片51的半径rs＝5mm，扇形片51的圆心角θs＝90°。

实施例2的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

环形锥状介质基板2上端外径Lu＝0，辐射螺旋缝隙41、耦合调节缝隙31和扇形片51的数量N＝4。

实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：

环形锥状介质基板2上端外径Lu＝40mm，辐射螺旋缝隙41、耦合调节缝隙31和扇形片51的数量N＝8。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的S₁₁参数进行仿真计算，结果如图5所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的轴比进行仿真计算，结果如图6所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例1的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图7所示，其中：7(a)为实施例1天线在1.268GHz的XOZ面辐射方向图，7(b)为实施例1天线在1.268GHz的YOZ面辐射方向图。

2、仿真结果

参照图5，以为S₁₁小于-10dB为标准，实施例1中天线的阻抗带宽为1.23GHz～1.38GHz，相对带宽为11.49％。

参照图6，实施例1中天线的3dB轴比带宽为1.22GHz～1.40GHz，相对带宽为13.74％。

参照图7，图7(a)为实施例1在1.268GHz的XOZ面辐射方向图，图7(b)为实施例1在1.268GHz的YOZ面辐射方向图。实施例1中的最大辐射方向始终与环形锥状介质板轴心同向，最大增益为5.15dB。

以上仿真结果说明，本发明天线具有较宽的波束和理想的阻抗带宽及轴比带宽。

以上描述仅是本发明的具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种宽波束多臂缝隙螺旋天线，包括辐射介质基板、辐射金属贴片和馈电网络，其特征在于：所述辐射介质基板为环形锥状介质基板(2)，所述辐射金属贴片为环形锥状金属贴片(4)，所述馈电网络由环形柱状介质基板(1)、环形柱状金属贴片(3)、串馈微带线(5)、同轴接口(6)和负载电阻(7)组成；在环形锥状介质基板(2)的外表面印制有环形锥状金属贴片(4)，该环形锥状金属贴片(4)上蚀刻有N个均匀分布的辐射螺旋缝隙(41)，4≤N≤8；在环形柱状介质基板(1)内表面印制有串馈微带线(5)，在环形柱状介质基板(1)外表面印制有环形柱状金属贴片(3)，该串馈微带线(5)首端与同轴接口(6)相连，其末端通过负载电阻(7)与环形柱状金属贴片(3)相连；所述环形锥状介质基板(2)固定在环形柱状介质基板(1)的上方，环形锥状金属贴片(4)和环形柱状金属贴片(3)固定连接；辐射螺旋缝隙(41)的旋转方向与串馈微带线(5)的馈电方向相反。

2.根据权利要求1所述的宽波束多臂缝隙螺旋天线，其特征在于环形柱状介质基板(1)的外径为Ld，在其侧壁靠近下端面的位置设置有金属化过孔。

3.根据权利要求2所述的宽波束多臂缝隙螺旋天线，其特征在于环形锥状介质基板(2)的下端外径与环形柱状介质基板(1)外径相等,上端外径为Lu，0≤Lu＜Ld。

4.根据权利要求1所述的宽波束多臂缝隙螺旋天线，其特征在于串馈微带线(5)的周长与其波导波长相等，用以实现相邻辐射螺旋缝隙(41)之间2π/N的相位差，该微带线上设置有N个均匀分布的扇形片(51)，其与辐射螺旋缝隙(41)的数量相等，扇形片(51)的圆心朝向该微带线的首端。

5.根据权利要求1所述的宽波束多臂缝隙螺旋天线，其特征在于环形柱状金属贴片(3)上蚀刻有均匀分布的耦合调节缝隙(31)，该耦合调节缝隙(31)由扇形缝隙(33)和矩形缝隙(32)组成，矩形缝隙(32)与扇形片(51)的圆心的位置对应，其上端与辐射螺旋缝隙(41)的下端对齐，环形柱状金属贴片(3)和环形锥状金属贴片(4)焊接相连。

6.根据权利要求5所述的宽波束多臂缝隙螺旋天线，其特征在于扇形缝隙(33)的半径r和圆心角θ可调，从而控制各缝隙的耦合馈电幅度相同。