CN105870605B - 一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，提供一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，用以解决现有螺旋天线兼顾其超带宽、低剖面、圆极化、高增益发展的矛盾。所述螺旋天线包括背腔、辐射器介质基板、天线螺旋臂、巴伦、同轴接头，其中，辐射器介质基板中心开设馈电端口，天线螺旋臂位于辐射器介质基板的上表面，天线螺旋臂通过馈电端口与巴伦上端相连接，巴伦位于背腔内部，巴伦下端与同轴接头相连；所述背腔包括设置于背腔中心的圆柱、以及与圆柱相连的斜面，所述圆柱与斜面共同构成圆台，所述圆柱上开设圆环凹槽、以及用于设置巴伦的窗口。本发明提供螺旋天线更好地兼顾了螺旋天线宽频带、低剖面、圆极化、高增益的性能要求，同时大大提高天线的频带带宽。

Description

一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线。
背景技术
随着航天和军事技术的发展，信息传输的频率逐渐向高频发展，要求天线的带宽也逐渐变宽。超宽带技术以其小型化、宽带化、集成化、高增益、低成本等优势，在卫星导航、反辐射导弹、电子对抗等多个领域拥有巨大的应用前景，超宽带螺旋天线本身是圆极化、宽频带的，但天线的带宽很难做到10个倍频程，20个倍频程就更难达到，对于现代电子战来说此种超带宽特性是有重要意义的。而目前展宽螺旋天线带宽的方法包括增加巴伦长度、提高天线螺旋臂圈数、利用周期对数螺旋线等方法，但这些方法会影响天线的小型化，同时增加天线设计的复杂性；同时随着天线对小型化要求逐渐重视，螺旋天线为提高增益而增加背腔，但背腔的存在使得天线的无法小型化，此矛盾也一直难以解决。综上，螺旋天线兼顾超带宽、低剖面、圆极化、高增益发展的矛盾一直没有得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，用以解决现有螺旋天线兼顾其超带宽、低剖面、圆极化、高增益发展的矛盾。本发明提供螺旋天线更好地兼顾了螺旋天线宽频带、低剖面、圆极化、高增益的性能要求，同时大大提高天线的频带带宽。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，包括背腔(1)、辐射器介质基板(7)、天线螺旋臂(8)、巴伦(3)、同轴接头(17)，其中，辐射器介质基板(7)中心开设馈电端口(10)，天线螺旋臂(8)位于辐射器介质基板(1)的上表面，天线螺旋臂(8)通过馈电端口(10)与巴伦(3)上端相连接，巴伦(3)位于背腔(1)内部，背腔(1)通过螺孔(2)与辐射器介质基板(7)相连，巴伦(3)下端与同轴接头(17)相连；其特征在于，所述背腔(1)包括设置于背腔中心的圆柱(5)、以及与圆柱(5)相连的斜面(4)，所述圆柱(5)与斜面(4)共同构成圆台，所述圆柱(5)上开设圆环凹槽(6)、以及用于设置巴伦的窗口。
进一步的，所述天线天线螺旋臂(8)边缘具有渐削式结构(9)。
所述馈电端口(10)处天线馈电形状为半圆周形。
所述巴伦(3)的两端微带采用指数渐变结构，本发明中结构中能够巴伦长度降为5.9mm，较传统巴伦长度降低了93％。
所述天线螺旋臂(8)通过调整螺旋增长率及臂宽，使得相邻两臂产生幅度相等、相位差为90°的电磁波，叠加形成圆极化波。
所述巴伦(3)通过对平衡端微带(11)宽度、非平衡端微带(14)宽度的确定，使得巴伦(3)与同轴接头(17)中的金属探针(16)连接阻抗为50欧姆，与馈电端口(10)连接阻抗为75欧姆。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供螺旋天线采用异型背腔，利用圆台、斜面等部分有效的反射了天线背向辐射的能量，降低了天线回波损耗的同时，增加了天线的增益，提高了天线的带宽；并且通过异型背腔的设计有效降低背腔的厚度，能够降低至5.2mm，有利于螺旋天线小型化设计。
2.在辐射器天线螺旋臂采用了半圆式馈电端口形式，有效的降低了辐射器的阻抗，一定程度降低了阻抗变换的难度、缩减了巴伦的长度，大大提高了天线小型化特性。
3.在辐射器天线螺旋臂末端采用渐削式结构，有效的减小了末端电流的反射，降低了天线的回波损耗。
4.辐射器基板和巴伦基板采用Rogers5880的介质基板，介电常数稳定、高频下性能变化不明显，对电综合性能影响小，同时便于天线共形。
综上，本发明相对于现有宽带螺旋天线，不仅尺寸更小、增益更高、圆极化性能更好，并且天线的带宽远远超过了现有天线，此外，天线的结构也易于加工、成本较低。
附图说明
图1是本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的背腔结构示意图。
图2是本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的辐射器结构示意图。
图3是本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的辐射器馈电端口结构示意图。
图4是本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的巴伦结构示意图。
图5为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的巴伦与同轴相接结构示意图。
图6为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的巴伦结构尺寸说明图。
图7为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的背腔剖面尺寸说明图。
图8为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的背腔俯视尺寸说明图。
图9为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的辐射器尺寸说明图。
图10为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的工作频率与反射损耗S11之间的关系曲线。
图11为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的工作频率与驻波比VSWR之间的关系曲线。
图12为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的工作频率与轴比AR之间的关系曲线。
图13为本发明超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线的工作频率与增益Gain之间的关系曲线。
其中，1为背腔、2为螺孔、3为巴伦、4为背腔斜面、5为背腔圆柱、6为圆环凹槽、7为辐射介质基板、8为天线螺旋臂、9为渐削式结构、10为馈电端口、11为巴伦平衡端微带、12为巴伦基板、13为平行双线宽微带、14为巴伦非平衡端微带、15为平行双线窄微带、16为金属探针、17为同轴接头。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例提供的双臂螺旋天线的中心频点是21GHz，其结构如图1～图5所示，本实施例能够在5.2mm的背腔剖面厚度内，实现阻抗带宽达到38GHz，在5GHz以上增益达到6dB，7GHz以上增益达到8dB，最大增益达到11dB，轴比全频段小于9dB，20GHz以下满足小于5dB。
本实施例提供的一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，包括：
背腔1：其结构如图1所示，其具体尺寸如图7、图8所示，背腔剖面厚度为5.2mm，背腔外径为102mm，背腔内径为96mm，背腔上螺钉孔径为2mm，腔壁一共四个螺孔，分别位于腔体的四周，横向螺孔中心间距为99mm；背腔内部圆台上表面半径为14mm，下表面半径为26mm，斜面垂直高度为2mm，圆环凹槽深度为3mm，用于设置巴伦的窗口高3.5mm；圆台上圆环凹槽外径为27mm，凹槽内径为18mm，凹槽深度为3mm；圆台上开设圆形窗口用于设置巴伦，该圆形窗口半径为3.5mm，窗口中心相对于背腔中心有向X轴0.77mm的偏移，同时窗口四周开设四个螺孔用于安装SMA接头所用，横向螺孔中心间距为6mm，纵向螺孔中心间距为8mm，螺孔深度为2mm；
辐射器介质基板：其结构如图2所示，其具体尺寸如图9所示，介质基板采用Rogers5880，厚度为0.508mm，介电常数为2.2，该基板损耗小，高温下性能稳定；基板上表面的双臂螺旋线采用0.035mm的铜，铜上附金，保持天线螺旋臂不被氧化；辐射器外径102mm，与背腔外径相同，对应背腔开设四个螺孔也为M2，用于辐射器介质基板与背腔连接，天线螺旋臂内部开槽，槽宽0.6mm，槽长1.4mm，用于与巴伦相接；
巴伦：巴伦位于背腔的内部，用于连接辐射器与同轴接头，其结构如图3所示，与同轴接头的连接示意图如图4所示，其具体尺寸如图5所示，平衡端的金属微带宽度为0.4mm，非平衡端的金属微带宽度为0.69mm，非平衡端的金属地板宽度6mm，巴伦总长度5.9mm，介质板长度5.2mm，与背腔厚度相同，介质板采用基板Rogers5880，厚度为1.27mm，该厚度用于提高发射功率容量，并提高天线支撑能力，介电常数为2.2；巴伦两侧微带渐变线中，较窄一侧在与非平衡端相接处有0.1mm的间隙，有助于焊接。
对上述螺旋天线进行测试，其测试结果如图10所示为该螺旋天线的工作频率与反射损耗S11之间的关系曲线，如图11所示为该螺旋天线的工作频率与驻波比VSWR之间的关系曲线，如图12所示为该螺旋天线的工作频率与轴比AR之间的关系曲线，如图13所示为该螺旋天线的工作频率与增益Gain之间的关系曲线；从图10与图11能够看出本实施例螺旋天线实现驻波比小于2.55的阻抗带宽达到38GHz，从图12能够看出本实施例螺旋天线轴比全频段小于9dB，20GHz以下满足小于5dB，在30GHz以上轴比较大，从图13能够看出本发明螺旋天线在5GHz以上增益可以达到6dB，7GHz以上增益可以达到8dB，最大增益可以达到11dB。综上，本实施例螺旋天线不仅尺寸更小、增益更高、圆极化性能更好，并且天线的带宽远远超过了现有天线，且天线的结构也易于加工、成本较低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，包括背腔(1)、辐射器介质基板(7)、天线螺旋臂(8)、巴伦(3)、同轴接头(17)，其中，辐射器介质基板(7)中心开设馈电端口(10)，天线螺旋臂(8)位于辐射器介质基板(1)的上表面，天线螺旋臂(8)通过馈电端口(10)与巴伦(3)上端相连接，巴伦(3)位于背腔(1)内部，背腔(1)通过螺孔(2)与辐射器介质基板(7)相连，巴伦(3)下端与同轴接头(17)相连；其特征在于，所述背腔(1)包括设置于背腔中心的圆柱(5)、以及与圆柱(5)相连的斜面(4)，所述圆柱(5)与斜面(4)共同构成圆台，所述圆柱(5)上开设圆环凹槽(6)、以及用于设置巴伦的窗口。
2.按权利要求1所述超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，其特征在于，所述天线螺旋臂(8)边缘具有渐削式结构(9)。
3.按权利要求1所述超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，其特征在于，所述馈电端口(10)处天线馈电形状为半圆周形。
4.按权利要求1所述超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，其特征在于，所述巴伦(3)的两端微带采用指数渐变结构。
5.按权利要求1所述超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，其特征在于，所述天线螺旋臂(8)的相邻两臂产生幅度相等、相位差为90°的电磁波，叠加形成圆极化波。
6.按权利要求1所述超宽带低剖面圆极化双臂螺旋天线，其特征在于，所述巴伦(3)与同轴接头(17)中的金属探针(16)连接阻抗为50欧姆，与馈电端口(10)连接阻抗为75欧姆。
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