CN104733870A - 一种圆极化宽频带螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆极化宽频带螺旋天线，用于解决现有螺旋天线在高低频两端特性恶化的问题；包括天线罩(1)、天线辐射装置(2)、吸波材料(3)、反射腔体装置(4)和平衡馈电装置(5)；反射腔体装置(4)由反射腔(41)和底座(42)组成，反射腔(41)内填充吸波材料(3)；天线辐射装置(2)安装在反射腔(41)口面上；双臂螺旋辐射体(22)是由占空比可变的内圈双臂准等角螺旋和外围双臂准阿基米德螺旋平滑连接而成，准等角螺旋圈数占总圈数的1/5，平衡馈电装置(5)安装在底座(42)上，底端与SMA接口相连，顶端与双臂螺旋辐射体(22)的起始端相连。本发明在全频段性能稳定，可用于宽带通信和宽带频谱分析等领域。

Description

一种圆极化宽频带螺旋天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种圆极化单向辐射的宽频带准混合螺旋天线，可用于宽带通信和宽带频谱分析等领域。

背景技术

宽带天线作为射频发射和接收终端，在宽带通信和无线电频谱探测等系统中，发挥至关重要的作用。在有限的安装孔径下，保证天线在全频段的驻波、轴比、增益性能稳定是宽带天线设计工程领域一个研究热点。

平面螺旋天线，因其具有稳定的宽带特性和易于安装的外形一直受到人们的重视。目前广泛应用的平面螺旋天线有阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线和Sinuous螺旋等类型。圆极化平面螺旋天线装置，是通过在介质基板上印制金属双臂螺旋或多臂螺旋辐射体而形成的。由于圆极化Sinuous螺旋天线需采用多臂螺旋辐射体，其结构复杂，而且还需要采用多巴伦和宽带功分网络对其进行馈电，因此目前大多采用只需双臂螺旋辐射体的阿基米德螺旋天线或者等角螺旋天线。

如图1所示：双臂阿基米德螺旋的一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

r₁＝r₀+α₁×θ

r₁'＝(r₀-W)+α₁×θ

另一臂是由它绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r₀是起始半径，W是螺臂宽度，α₁是螺旋增长率，θ是径向与极轴的夹角，r₁和r₁'分别为阿基米德螺旋的一臂的外边缘和内边缘。在双臂达到预定圈数后截断构成双臂螺旋辐射体。由表达式可知标准的阿基米德螺旋的起始半径、螺臂宽度和螺旋增长率都是恒定值，这就决定了其占空比和单圈增幅也是恒定值,为了保证天线良好的辐射特性，通常采用1:1的占空比。恒定的螺臂宽度使阿基米德螺旋能在对应低频段辐射的外围排列均匀的螺旋线，所以其具有良好的低频辐射特性。但在靠近起始端的内圈，因螺臂宽度相对较大而无法排列较为细密的多圈线圈，所以其高频辐射特性受到一定限制。

如图2所示：双臂等角螺旋的一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

r₂＝r_min×exp(α₂×θ)

r₂'＝R×r_min×exp(α₂×θ)

另一臂是由它绕螺旋轴线旋转180°而成。其中，r_min是最小半径，α₂是螺旋指数增长率，R是决定起始线宽和占空比的系数，且R＜1，θ是径向与极轴的夹角。在双臂达到预定圈数后截断构成双臂螺旋辐射体。在表达式中，r₂和r₂'是分别为准等角螺旋的一臂的外边缘和内边缘，其他参数均为恒定值。由此可以推导出标准的等角螺旋的占空比恒定，单圈增幅和螺臂宽度都是指数增加的。由于等角螺旋可以在对应于高频段辐射的内圈排列更多圈数的螺旋线，而在外围无法实现，所以其具有良好的高频辐射特性，但是低频辐射特性受到一定限制。

混合螺旋天线的辐射体是采用内圈的等角螺旋和外圈的阿基米德螺旋通过平滑连接而形成的，相对于阿基米德螺旋天线和等角螺旋天线，有效扩宽了天线的工作频带宽度。但是由于等角螺旋和阿基米德螺旋都具有恒定的占空比，由两者构成的混合螺旋天线在连接处平滑过渡，因此也要求有相同的占空比。为了获得较好的低频特性，位于外围的阿基米德螺旋通常采用1:1的占空比，即螺臂上填充空白等分，但是在螺线的内圈，由于空间有限，1:1的占空比会使辐射臂变得非常细窄，一方面损耗增大，辐射效率变低，另一方面对天线的加工精度要求极高。这就限制了混合螺旋天线频带的进一步扩展。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种圆极化单向辐射的宽频带螺旋天线，用于解决现有混合螺旋天线中在高低频两端性能恶化的问题。

本发明所采取的技术方案是，一种圆极化宽频带螺旋天线，包括天线辐射装置2、吸波材料3、反射腔体装置4和平衡馈电装置5；所述天线辐射装置2是由介质基板21、印制在介质基板21上表面的双臂螺旋辐射体22和两个加载电阻23组成；所述反射腔体装置4由中空的圆柱形反射腔41和底座42组成的整体结构，反射腔41内填充吸波材料3，在底座42中心设置有第一过孔43，平衡馈电装置5穿过该第一过孔43与底座42固定，用于给辐射体22馈电；其特征在于：所述双臂螺旋辐射体22是由占空比可变的内圈双臂准等角螺旋，和外围双臂准阿基米德螺旋平滑连接而成，用于扩宽天线的工作频带。

所述双臂准等角螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

r₃＝r_min'×exp(α₃θ)

r₃'＝R(θ)×r_min'×exp(α₃θ)

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r_min'是最小半径，α₃是螺旋指数增长率，θ是径向与极轴的夹角，R(θ)是随着θ变化的变量，且R(θ)＜1，其决定螺臂宽度和占空比，r₃和r₃'分别为准等角螺旋的一个臂的外边缘和内边缘。

所述双臂准阿基米德螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

$r_4={r_0}^{\′}+{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

$r_4^{\′}=({r_0}^{\′}-W^{\′}\×(1+k_2{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_2}))+{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r₀'是起始半径，W'是起始螺臂宽度，α₄是控制起始单圈增幅和占空比的系数，k₁是控制单圈增幅总体变化的系数，k₂是控制占空比总体变化的系数，n₁,n₂是控制单圈增幅和占空比变化速度的系数，θ是径向与极轴的夹角，θ_max是径向与极轴的最大夹角，r₄和r₄'分别为准阿基米德螺旋一臂的外边缘和内边缘。

所述双臂准等角螺旋的圈数占双臂螺旋辐射体22总圈数的1/5。

所述介质基板21采用圆形的Rogers RT/duroid 5880材料。

所述吸波材料3采用三个不同材质和厚度的圆柱体相互叠加而成，其轴线处设置有用于平衡馈电装置5通过的第二过孔34。

所述反射腔41的内壁上端口处均匀设置有四个连接柱44，其外壁上端口处设置有外螺纹45，外螺纹45的下端设置有第一法兰盘46。

所述平衡馈电装置5包括锥削同轴巴伦55和与其底部固定的第二法兰54，该锥削同轴巴伦55的底端与SMA接口6相连，其顶端的同轴内芯51和同轴外皮53分别与螺旋辐射体(22)的两个臂的起始端相连。

所述两个加载电阻23的阻值大小均为150Ω，其一端分别与双臂螺旋辐射体22两个臂的末端相连，另一端分别与反射腔46固定连接而接地。

在天线辐射装置2的上部加装有聚四氟乙烯材料的天线罩1，天线罩1的内侧设置有与外螺纹45配合的内螺纹。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的双臂螺旋辐射体由于是采用占空比可变的内圈双臂准等角螺旋和外圈双臂准阿基米德螺旋平滑连接而成，双臂准等角螺旋占总圈数的1/5，有效改善占空比对混合螺旋天线的限制，与现有技术相比，频带宽度可以提升至9个倍频数，在2GHz到18GHz频率范围内具有良好的辐射特性。

2、本发明由于在双臂螺旋辐射体的每个臂的最外圈靠近连接孔处分别设置有补偿弧，可以在介质基板的有限面积上多增加一圈螺旋，而且在螺旋辐射体末端加载两个电阻用于吸收电流，从而使频带宽度进一步提升，同时改善了天线低频辐射性能。

3、本发明的吸波材料是通过三层不同材质和厚度的圆柱体组成，能有效吸收螺旋辐射体的后向辐射波，使得天线的增益更加稳定，进而提升了天线的辐射性能。

附图说明

图1为现有阿基米德辐射装置结构示意图；

图2为现有等角螺旋辐射装置结构示意图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为本发明天线辐射装置示意图；

图5为本发明的吸波材料示意图；

图6为本发明反射腔体装置示意图；

图7为本发明采用的巴伦示意图；

图8为本发明的驻波比-频率的仿真结果图；

图9为本发明的右旋圆极化增益-频率的仿真结果图；

图10为本发明的轴比-频率的仿真结果图；

图11为本发明在不同频点的辐射方向仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰明了，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

参照图3，本发明的技术方案包括天线罩1、天线辐射装置2、吸波材料3、反射腔体装置4和平衡馈电装置5；反射腔体装置4是由中空的圆柱形反射腔41和中心设有第一过孔43的底座42组成的整体结构，反射腔41的内部填充有带有第二过孔34的圆柱形吸波材料3，在反射腔41的内壁上端口处，均匀设置有四个连接柱44，通过螺丝将天线辐射装置2与之固定，且天线辐射装置2的上表面与反射腔41的上沿表面平齐，这种固定天线辐射装置2允许反射腔41壁厚变薄，重量变轻；在反射腔41外壁上端口处设置有外螺纹45，外螺纹的下端设置有第一法兰46，天线罩1采用聚四氟乙烯材料，其内侧设置的内螺纹与外螺纹45相互配合，该天线罩1的下沿与第一法兰46接触，保证其内侧顶部与天线辐射装置2的上表面的距离为1mm；平衡馈电装置5依次穿过第一过孔43和第二过孔34，其底部和底座42固定，底端与SMA接头相连，该平衡馈电装置5顶端的同轴内芯51和同轴外皮53给天线辐射装置2馈电。

参照图4，天线辐射装置2包括双臂准混合螺旋辐射体22、加载电阻23和介质基板21。双臂准混合螺旋辐射体22印制在介质基板21的上表面，且该辐射体22由位于内圈占空比可变的准等角螺旋线和位于外围占空比可变的准阿基米德螺旋平滑连接而成，准等角螺旋的圈数占总圈数的1/5；内圈双臂准等角螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

r₃＝r_min'×exp(α₃θ)

r₃'＝R(θ)×r_min'×exp(α₃θ)

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，R(θ)＝R_in+(R_out-R_in)θ/θ_max，r_min'是最小半径，α₃是螺旋指数增长率，θ是径向与极轴的夹角，θ_max是径向与极轴的夹角，R(θ)随θ的线性变化的情况由R_in和R_out描述，且R(θ)＜1，其决定螺臂宽度和占空比，r₃和r₃'分别为准等角螺旋的一个臂的外边缘和内边缘。

外围双臂准阿基米德螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

$r_4={r_0}^{\′}+{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

$r_4^{\′}=({r_0}^{\′}-W^{\′}\×(1+k_2{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_2}))+{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r₀'是起始半径，W'是起始螺臂宽度，α₄是控制起始单圈增幅和占空比的系数，k₁是控制单圈增幅总体变化的系数，k₂是控制占空比总体变化的系数，n₁,n₂是控制单圈增幅和占空比变化速度的系数，θ是径向与极轴的夹角，θ_max是径向与极轴的最大夹角，r₄和r₄'分别为准阿基米德螺旋一臂的外边缘和内边缘。

调节控制内圈准等角螺旋螺臂宽度和外围准阿基米德螺旋螺臂宽度的变量，使它们在从起始端开始的总圈数1/5处的螺臂宽度相等，占空比相等，从而平滑连接。

为了使天线的工作频带得到进一步扩展，可以在介质基板有限的面积上将螺旋的半径变的更大，但由于固定方式的原因，需要在外围双臂准阿基米德螺旋最外圈的60.5°和240.5°处对螺旋做微小变形，即该处分别设置有补偿弧26。

介质基板21采用直径为D₁＝59mm的Rogers RT/duroid 5880材料，在60.5°、150.5°、240.5°和330.5°处设置有四个连接孔24，且这四个连接孔24的中心处于直径为55.8mm的虚拟圆上。

两个加载电阻23的阻值均采用150Ω，其通过设置在双臂辐射体末端外侧的焊盘25，一端分别与双臂辐射体末端焊接，另一端分别与反射腔41通过螺丝压电连接的方法相连而接地，这种接地方式具有更强的抗强机械振动性能。

参照图5，吸波材料3由三层不同材质和厚度的圆柱体自上而下依次叠加而成，层间通过双面胶粘连，其直径D₂＝59mm，在轴线处设置有用于平衡馈电装置5通过的第二过孔34，三层材料依次采用AN_73、LS_10055和WT_2010，厚度依次为H₁＝10mm、H₂＝3.566mm和H₃＝1.524mm，该吸波材料3与反射腔体底座之间42粘接，三层材料分别能有效吸收高频、中频和低频的电磁波，使得天线单向辐射的增益更加稳定。

参照图6，反射腔体装置4是由中空圆柱体反射腔41和正方形底座42组成的一体结构，高度H＝19.612mm；反射腔41的内径D₄＝59mm，外径D₃＝62mm，该反射腔41的内壁上端口处均匀设置有四个连接柱44，该连接柱44设置有四个螺纹孔，其中心在直径为55.8mm的虚拟圆上，连接柱44的上表面到反射腔上沿的距离和介质基板厚度相等；反射腔41外壁上端口处设置有天线罩1配合的外螺纹45，该外螺纹45的下端设置有第一法兰盘46；正方形底座42的边长与反射腔的外径尺寸相等，在该底座的四角处设置有用于固定天线的安装孔47。

参照图7，平衡馈电装置5是由锥削同轴巴伦55和该巴伦底部的第二法兰54组成，该巴伦通过将同轴线外皮53的内壁沿与轴线成13°角锥削渐变过渡，锥削段的高度H4＝14.08mm，最终和同轴线芯线51形成平衡双线。

本发明的技术效果通过以下仿真结果作进一步描述。

1、仿真内容：

(1)采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对该模型进行三维仿真，得到驻波比与频率的关系图，仿真结果参照图8。

(2)采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对该模型进行三维仿真，得到右旋圆极化增益与频率的关系图，仿真结果参照图9。

(3)采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对该模型进行三维仿真，得到轴比与频率的关系图，仿真结果参照图10。

(4)采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对该模型进行三维仿真，得到本发明在4GHz、10GHz和16GHz的辐射方向仿真结果图，仿真结果参照图11。

2、仿真结果：

参照图8，横坐标表示频率，纵坐标表示驻波比，从图中可以看出，本发明在2GHz-18GHz范围内驻波比小于1.5，说明本发明的回波损耗较小。

参照图9，横坐标表示频率，纵坐标表示右旋圆极化增益，从图中可以看出，本发明在4GHz-18GHz范围内右旋圆极化增益大于4dB，说明本发明增益较稳定。

参照图10，横坐标表示频率，纵坐标表示轴比，从图中可以看出，本发明在2GHz-18GHz范围内轴比小于3dB，说明本发明圆极化性能良好。

参照图11,其中图11(a),11(b)和11(c)分别为本发明在4GHz、10GHz和16GHz的辐射方向仿真结果图，从图中可以看出，本发明在低、中和高不同频点处具有较宽的波瓣宽度。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，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 (10)

1.一种圆极化宽频带螺旋天线，包括天线辐射装置(2)、吸波材料(3)、反射腔体装置(4)和平衡馈电装置(5)；所述天线辐射装置(2)是由介质基板(21)、印制在介质基板(21)上表面的双臂螺旋辐射体(22)和两个加载电阻(23)组成；所述反射腔体装置(4)由中空的圆柱形反射腔(41)和底座(42)组成的整体结构，反射腔(41)内填充吸波材料(3)，在底座(42)中心设置有第一过孔(43)，平衡馈电装置(5)穿过该第一过孔(43)与底座(42)固定，用于给辐射体(22)馈电；其特征在于：所述双臂螺旋辐射体(22)是由占空比可变的内圈双臂准等角螺旋，和外围双臂准阿基米德螺旋平滑连接而成，用于扩宽天线的工作频带。

2.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述双臂准等角螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

r₃＝r_min'×exp(α₃θ)

r₃'＝R(θ)×r_min'×exp(α₃θ)

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r_min'是最小半径，α₃是螺旋指数增长率，θ是径向与极轴的夹角，R(θ)是随着θ变化的变量，且R(θ)＜1，其决定螺臂宽度和占空比，r₃和r₃'分别为准等角螺旋的一个臂的外边缘和内边缘。

3.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述双臂准阿基米德螺旋的第一个臂由下列基本方程所对应的两条曲线确定：

$r_4={r_0}^{\′}{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

$r_4^{\′}=({r_0}^{\′}-W^{\′}\×(1+k_2{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_2}))+{\mathrm{\α}}_4\×(1+k_1{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_{\max }}\right)}^{n_1})\×\mathrm{\θ}$

第二个臂是由第一个臂绕螺旋轴线旋转180°而成，其中，r₀'是起始半径，W'是起始螺臂宽度，α₄是控制起始单圈增幅和占空比的系数，k₁是控制单圈增幅总体变化的系数，k₂是控制占空比总体变化的系数，n₁,n₂是控制单圈增幅和占空比变化速度的系数，θ是径向与极轴的夹角，θ_max是径向与极轴的最大夹角，r₄和r′₄分别为准阿基米德螺旋一臂的外边缘和内边缘。

4.根据权利要求1或2或3所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述双臂准等角螺旋的圈数占双臂螺旋辐射体(22)总圈数的1/5。

5.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述介质基板(21)采用圆形的Rogers RT/duroid 5880材料。

6.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述吸波材料(3)采用三个不同材质和厚度的圆柱体相互叠加而成，其轴线处设置有用于平衡馈电装置(5)通过的第二过孔(34)。

7.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述反射腔(41)的内壁上端口处均匀设置有四个连接柱(44)，其外壁上端口处设置有外螺纹(45)，外螺纹(45)的下端设置有第一法兰盘(46)。

8.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述平衡馈电装置(5)包括锥削同轴巴伦(55)和与其底部固定的第二法兰(54)，该锥削同轴巴伦(55)的底端与SMA接口(6)相连，其顶端的同轴内芯(51)和同轴外皮(53)分别与螺旋辐射体(22)的两个臂的起始端相连。

9.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：所述两个加载电阻(23)的阻值大小均为150Ω，其一端分别与双臂螺旋辐射体(22)两个臂的末端相连，另一端分别与反射腔(46)固定连接而接地。

10.根据权利要求1所述的圆极化宽频带螺旋天线，其特征在于：在天线辐射装置(2)的上部加装有聚四氟乙烯材料的天线罩(1)，天线罩(1)的内侧设置有与外螺纹(45)配合的内螺纹。