CN106329141B - P波段双圆极化螺旋天线 - Google Patents

P波段双圆极化螺旋天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种P波段双圆极化螺旋天线。该天线结构从上到下依次为：第一、第二、第三、第四层金属辐射圆环（含射频控制电路）、金属反射地层；每一层的金属都刻蚀在起支撑作用的环氧玻璃布介质上；每一层的金属辐射圆环均由两个半圆环构成，其中第一、三层的金属右半圆环和第二、四层的金属左半圆环通过金属微带连接，组成左旋圆极化螺旋天线，第一、三层的金属左半圆环和第二、四层的金属右半圆环通过金属微带连接，组成右旋圆极化螺旋天线。射频控制电路位于第四层介质上表面，控制电路的输入端接SMA接头，两个输出端分别连接到左旋圆极化天线和右旋圆极化天线。信号由SMA接头输入，射频控制电路对天线辐射的电磁波极化方式进行选择。

Description

P波段双圆极化螺旋天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种P波段双圆极化螺旋天线。
背景技术
P波段由于其自身波长较长，穿透能力强，在监测森林植被、地表等方面有着独特的优势。电离层带来的法拉第旋转效应会使线极化天线产生极化不匹配现象，而圆极化天线可以很好的避免这一现象。现有技术的双圆极化天线结构大多数采用双端口或多端口馈电，即将两个圆极化天线合成一体分别工作，通过给不同的端口输入信号，实现不同的圆极化方式。
典型的螺旋天线是由金属导线按照一定的规律绕制螺旋弹簧形的行波天线，一般都具有较好的圆极化特性，但涉及双圆极化的螺旋天线鲜有报道。通过对现有技术文献的检索发现，中国专利 “单端口双频双圆极化天线”（申请号2014107765979），涉及一种双频段的双圆极化螺旋天线，该天线通过上下两个部分不同尺寸的螺旋臂实现双频段双圆极化通信，其中天线上部分由小尺寸的四个螺旋臂组成，辐射高频右旋圆极化电磁波；天线下部分由大尺寸的四个螺旋臂组成，辐射低频左旋圆极化电磁波，但该天线并不是对同一频段的电磁波实现两种圆极化辐射方式，无法对圆极化方式实施动态的切换。中国专利“一种圆锥形四臂正弦天线及该天线的极化控制方法”（申请号2015100676574）需要增加额外的馈电网络以产生等幅度相位差90度的激励信号，且天线结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种单端口馈电的P波段双圆极化螺旋天线，使天线在较宽的频带范围内具有圆极化特性的同时，能够动态切换天线的圆极化状态，而且天线结构简单易加工。
本发明提供的P波段双圆极化螺旋天线，通过射频控制电路动态切换天线的圆极化工作方式，天线的中心频率为450MHz。具体来说本发明提供的双圆极化螺旋天线，其结构如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，包括：第一层金属辐射圆环1、第二层金属辐射圆环2、第三层金属辐射圆环3、第四层金属辐射圆环（含射频控制电路）4、金属反射地层5；前四层金属辐射圆环通过金属微带连接。
本发明中，所述第一层金属辐射圆环1、第二层金属辐射圆环2、第三层金属辐射圆环3、第四层金属辐射圆环4均刻蚀在环氧玻璃布介质的上表面，金属反射地板层5刻蚀在环氧玻璃布介质的下表面。
本发明中，所述第一、二层的金属辐射圆环的内半径相同，外半径也相同，其中，记内半径为R1，记外半径为R2。每一层的金属辐射圆环均由两个辐射半圆环组成，其中，第一层的金属辐射圆环1的左半圆环的圆心位置在x-y平面记为点A，右半圆环位置在x-y平面记为点B，第二层的金属辐射圆环2的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处，A和B两点在x轴方向坐标相同，y轴方向相距记为d。
本发明中，所述第三、四层的金属辐射圆环的内半径相同，外半径也相同，其中，记内半径为R3， 记外半径为R4。每一层的金属辐射圆环均由两个辐射半圆环组成，其中，第三层的金属辐射圆环3的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B处，第四层的金属辐射圆环4的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B点处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处。
本发明中，所述第一、二、三、四层的金属辐射圆环的两个半圆环的圆心坐标在x-y平面重叠于A和B。R1取值约为波长六分之一到五分之一，R2取值约为波长十分之一到七分之一，第一、第二层金属辐射圆环的径向宽度即R2- R1为15 mm~35 mm，R3取值约为波长五分之一到五十分之十一，R4取值约为波长五十分之十一到二十五分之六，第三、第四层金属辐射圆环的径向宽度即R4- R3为5 mm~20 mm，d取值约为波长二十分之一到十分之一。
各层的金属辐射圆环均可为铜箔，厚度可为0.035 mm。
本发明中，所述第一层金属辐射圆环1的左半圆环底端和第二层金属辐射圆环2的右半圆环通过金属带底端相连，连接用的金属带宽带和第二层金属辐射圆环2宽度相同；第二层金属辐射圆环2的右半圆环顶端和第三层金属辐射圆环3的左半圆环顶端通过金属带相连，连接用的金属带宽带从第二层的金属辐射圆环宽度2线性过渡到第三层金属辐射圆环3宽度；第三层金属辐射圆环3的左半圆环底端和第四层金属辐射圆环4的右半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第四层金属辐射圆环4宽度相同；第四层金属辐射圆环4）的右半圆顶端环再和射频控制电路连接，从而构成整个左旋圆极化螺旋天线；连接各层金属辐射圆环的金属微带都刻蚀在起支撑作用的环氧玻璃布介质上。
本发明中，第一层金属辐射圆环1的右半圆环底端和第二层金属辐射圆环2的左半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第二层金属辐射圆环2宽度相同；第二层金属辐射圆环2的左半圆环顶端和第三层金属辐射圆环3的右半圆环顶端通过金属带相连，连接用的金属带宽带从第二层的金属辐射圆环宽度2线性过渡到第三层金属辐射圆环3宽度；第三层金属辐射圆环3的右半圆环底端和第四层金属辐射圆环4的左半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第四层金属辐射圆环4宽度相同；第四层金属辐射圆环4的左半圆环顶端再和射频控制电路连接，从而构成整个右旋圆极化螺旋天线；连接各层金属辐射圆环的金属微带都刻蚀在起支撑作用的环氧玻璃布介质上。
本发明中，所述射频控制电路由开关二极管、射频电容、射频电感、3V纽扣电池和塑料电池盒组成，其中射频开关二极管、射频电容、射频电感由金属微带连接，并刻蚀在环氧玻璃布介质上，电池盒置于金属反射底板层5。
本发明中，所述每一层的环氧玻璃布介质都在相同的位置挖了对位孔，六角尼龙柱通过这些对位孔固定整个天线。
文献检索的结果表明，尚未有使用螺旋天线结构实现同一频段的辐射双圆极化电磁波的天线发明。本发明引入四层金属辐射圆环，增强天线的定向性，提高了天线的整体增益。巧妙地利用半圆环位置相互错开的结构实现双圆极化，射频控制电路对天线的圆极化方式进行实时动态控制。测试结果表明:当天线工作在左旋圆极化方式时，在390Mhz~480MHz频率范围内轴比小于3，相对轴比带宽20%，当天线工作在右旋圆极化方式时，在400MHz~470MHz频率范围内轴比小于2，相对轴比带宽15.5%，天线尺寸为0.5m×0.5m×0.16m(长×宽×高)。螺旋天线整体达到双圆极化、高增益、极化可切换、结构简单易加工的性能。
附图说明
图1为本发明P波段双圆极化螺旋天线整体结构示意图。
图2为本发明P波段双圆极化螺旋天线侧视示意图。
图3为本发明P波段双圆极化螺旋天线第一层示意图。
图4为本发明P波段双圆极化螺旋天线第二层示意图。
图5为本发明P波段双圆极化螺旋天线第三层示意图。
图6为本发明P波段双圆极化螺旋天线第四层示意图。
图7为本发明P波段双圆极化螺旋天线射频控制电路示意图。
图8为本发明P波段双圆极化螺旋天线S参数仿真、测试结果示意图。
图9为本发明P波段双圆极化螺旋天线轴比仿真、测试结果示意图。
图10为本发明P波段双圆极化螺旋天线增益仿真、测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-6所示，本发明提供了一种P波段双圆极化螺旋天线，中心频率450Mhz，整体尺寸0.5m×0.5m×0.16m（长×宽×高），本实施例包括：第一层金属辐射圆环1、第二层金属辐射圆环2、第三层金属辐射圆环3、第四层金属辐射圆环（含射频控制电路）4、反射地板层5。本实施例所述的金属辐射圆环的初始尺寸根据经验公式计算得到，再经过的全波仿真软件Ansoft HFSS 13.0设计优化，最终得到的第一、二层金属辐射圆环的内外半径分别为100mm，120 mm，第三、四层的金属辐射圆环内外半径分别为140 mm, 150 mm。
所述的每一层的金属辐射圆环均由两个半圆环组成，其中，第一层的金属辐射圆环1左半圆的圆心位于点A处，右半圆环位于点B处，第二层的金属辐射圆环2左半圆的圆心位于点B处，右半圆环位于点A处，A和B两点在x轴方向坐标相同，y轴方向相距50 mm。第三层的金属辐射圆环3左半圆的圆心位于点A处，右半圆环位于点B处，第四层的金属辐射圆环2左半圆的圆心位于点B处，右半圆环位于点A处，A和B两点在x轴方向坐标相同，y轴方向相距50 mm。
如图1-6所示，本实施例所述的四层金属辐射圆环刻蚀在环氧玻璃布介质上表面，金属反射地层刻蚀在环氧玻璃布介质下表面，介质厚度0.5 mm。前四层环氧玻璃布介质间距为50 mm，第四层环氧玻璃布介质与第五层环氧玻璃布介质间距10 mm，环氧玻璃布介质间均为空气层。
如图1-6所示，本实施例所述的第一层金属辐射圆环1的左半圆环和第二层金属辐射圆环2的右半圆环通过金属微带首尾相连，连接用的金属微带宽度和第二层金属辐射圆环2宽度相同；第二层金属辐射圆环2的右半圆环和第三层金属辐射圆环3的左半圆环通过金属带首尾相连，连接用的金属微带宽度从第二层的金属辐射圆环2宽度线性过渡到第三层金属辐射圆环3宽度；第三层金属辐射圆环3的左半圆环和第四层金属辐射圆环4的右半圆环通过金属微带首尾相连，连接用的金属微带宽度和第四层金属辐射圆环4宽度相同；第四层金属辐射圆环4的右半圆环再和射频控制电路连接，从而构成整个左旋圆极化螺旋天线。
如图1-6所示，本实施例所述的第一层金属辐射圆环1的右半圆环和第二层金属辐射圆环2的左半圆环通过金属微带首尾相连，连接用的金属微带宽度和第二层金属辐射圆环2宽度相同；第二层金属辐射圆环2的左半圆环和第三层金属辐射圆环3的右半圆环通过金属微带首尾相连，连接用的金属微带宽度从第二层的金属辐射圆环2宽度线性过渡到第三层金属辐射圆环3宽度；第三层金属辐射圆环3的右半圆环和第四层金属辐射圆环4的左半圆环通过金属微带首尾相连，连接用的金属微带宽度和第四层金属辐射圆环4宽度相同；第四层金属辐射圆环(4)的左半圆环再和射频控制电路连接，从而构成整个右旋圆极化螺旋天线。
如图1- 6所示，本实施例所述的环氧玻璃布介质在相同的位置挖了8个对位孔，六角尼龙柱通过这些对位孔固定整个天线。
如图7所示，本实施例所述的射频控制电路的射频电感值为72 nH, 射频电容值为10 pF，开关二极管选用恩智浦的BAP-65，直流偏置电压由3V的纽扣电池提供。当左旋圆极化螺旋天线的控制端输入3V直流电压后，开关二极管导通，射频信号由SMA输入，经左旋圆极化螺旋天线发射出去，此时辐射的电磁波呈左旋圆极化状态。当右旋圆极化螺旋天线的控制端输入3V直流电压后，开关二极管导通，射频信号由SMA输入，经右旋圆极化螺旋天线发射出去，此时辐射的电磁波呈右旋圆极化状态。
如图8所示，本实施例所述的频率特性包括电压驻波比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为MHz，纵坐标代表电压驻波比变量。本发明的P波段双圆极化螺旋天线，左旋圆极化工作模式在435Mhz~468MHz频率范围内实测S11小于-10 dB，右旋圆极化工作模式在434MHz~458MHz频率范围内实测实测S11小于-10 dB。
如图9所示，本实施例所述的频率特性包括圆极化轴比参数。其中横坐标代表频率变量，单位为MHz，纵坐标代表轴比变量，单位dB。本发明的P波段双圆极化螺旋天线实测左旋圆极化轴比小于3的带宽范围是390MHz~480MHz，右旋圆极化轴比小于3的带宽范围是400MHz~470MHz。
如图10所示，本实施例所述的频率特性包括增益参数。其中横坐标代表频率变量，单位为MHz，纵坐标代表轴比变量，单位dBi。本发明的P波段双圆极化螺旋天线实测在410MHz~490MHz，左旋圆极化增益高于6dBi，在400MHz~490MHz，右旋圆极化增益高于6dBi。
本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种P波段双圆极化螺旋天线，其特征在于，包括：第一层金属辐射圆环（1）、第二层金属辐射圆环（2）、第三层金属辐射圆环（3）、第四层金属辐射圆环（4）、金属反射地板层（5）；第四层金属辐射圆环（4）中含有射频控制电路；前四层金属辐射圆环通过金属微带连接；所述第一层金属辐射圆环（1）、第二层金属辐射圆环（2）、第三层金属辐射圆环（3）、第四层金属辐射圆环（4）均刻蚀在环氧玻璃布介质的上表面，金属反射地板层（5）刻蚀在环氧玻璃布介质的下表面；
所述第一、二层的金属辐射圆环的内半径相同，外半径也相同，其中，记内半径为R1，记外半径为R2；每一层的金属辐射圆环均由两个辐射半圆环组成，其中，第一层的金属辐射圆环（1）的左半圆环的圆心位置在x-y平面记为点A，右半圆环位置在x-y平面记为点B，第二层的金属辐射圆环（2）的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处，A和B两点在x轴方向坐标相同，y轴方向相距记为d；
所述第三、四层的金属辐射圆环的内半径相同，外半径也相同，其中，记内半径为R3，记外半径为R4；每一层的金属辐射圆环均由两个辐射半圆环组成，其中，第三层的金属辐射圆环（3）的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B处，第四层的金属辐射圆环（4）的左半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点B点处，右半圆环的圆心在x-y平面的投影位于点A处；
所述第一层金属辐射圆环（1）的左半圆环底端和第二层金属辐射圆环（2）的右半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第二层金属辐射圆环（2）宽度相同；第二层金属辐射圆环（2）的右半圆环顶端和第三层金属辐射圆环（3）的左半圆环顶端通过金属带相连，连接用的金属带宽带从第二层的金属辐射圆环宽度（2）线性过渡到第三层金属辐射圆环（3）宽度；第三层金属辐射圆环（3）的左半圆环底端和第四层金属辐射圆环（4）的右半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第四层金属辐射圆环（4）宽度相同；第四层金属辐射圆环（4）的右半圆顶端环再和射频控制电路连接，从而构成整个左旋圆极化螺旋天线；连接各层金属辐射圆环的金属微带都刻蚀在起支撑作用的环氧玻璃布介质上；
所述第一层金属辐射圆环（1）的右半圆环底端和第二层金属辐射圆环（2）的左半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第二层金属辐射圆环（2）宽度相同；第二层金属辐射圆环（2）的左半圆环顶端和第三层金属辐射圆环（3）的右半圆环顶端通过金属带相连，连接用的金属带宽带从第二层的金属辐射圆环宽度（2）线性过渡到第三层金属辐射圆环（3）宽度；第三层金属辐射圆环（3）的右半圆环底端和第四层金属辐射圆环（4）的左半圆环底端通过金属带相连，连接用的金属带宽带和第四层金属辐射圆环（4）宽度相同；第四层金属辐射圆环（4）的左半圆环顶端再和射频控制电路连接，从而构成整个右旋圆极化螺旋天线；连接各层金属辐射圆环的金属微带都刻蚀在起支撑作用的环氧玻璃布介质上。
2.根据权利要求1所述的P波段双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一、二、三、四层的金属辐射圆环的两个半圆环的圆心坐标在x-y平面重叠于A和B；R1取值为波长六分之一到五分之一，R2取值为波长十分之一到七分之一，第一、第二层金属辐射圆环的径向宽度即R2- R1为15 mm~35 mm，R3取值为波长五分之一到五十分之十一，R4取值为波长五十分之十一到二十五分之六，第三、第四层金属辐射圆环的径向宽度即R4- R3为5 mm~20 mm，d取值为波长二十分之一到十分之一。
3.根据权利要求1所述的P波段双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述射频控制电路由开关二极管、射频电容、射频电感、3V纽扣电池和塑料电池盒组成，其中射频开关二极管、射频电容、射频电感由金属微带连接，并刻蚀在环氧玻璃布介质上，电池盒置于金属反射地板层（5）。
4.根据权利要求1所述的P波段双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述每一层的环氧玻璃布介质都在相同的位置挖有对位孔，六角尼龙柱通过这些对位孔固定整个天线。
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