CN106848580A - 一种小型化四臂螺旋天馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化四臂螺旋天馈系统，包括馈电结构、阻抗匹配结构、四臂螺旋辐射结构。所述馈电结构有一个输入端口，四个输出端口。所述阻抗匹配结构有四个输入端口，四个输出端口；阻抗匹配结构的四个输入端口分别与馈电结构的四个输出端口相连。所述四臂螺旋辐射结构由四条形状结构相同的小型化螺旋臂组成，小型化螺旋臂一端开路，另一端分别与阻抗匹配结构的四个输出端口相连。本发明建立了清晰的馈电结构‑阻抗匹配结构‑辐射结构的级联关系，具有理论可分析性；在工程上对金属丝绕制四臂螺旋结构也能实现阻抗匹配，具有工程可实施性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种小型化四臂螺旋天馈系统。
背景技术
四臂螺旋天线由于其在尺寸有限的金属地板上仍具有较宽的圆极化增益波束宽度的特性，广泛的应用于导航系统终端上。如今随着卫星导航系统终端日趋小型化，对四臂螺旋天线也提出了小型化的需求。
由于四臂螺旋天线是谐振形式的天线，谐振时所对应的电尺寸应为四分之一波长的整数倍，因此，相关领域学者多对四分之一波长的四臂螺旋天线进行小型化的研究。Alexandru Takacs等人于2010年在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters上发表文章Height Reduction of the Axial-Mode Open-Ended Quadrifilar HelicalAntenna，提出对于四分之一波长的四臂螺旋天线，其端口的输入阻抗为5到20欧姆之间。因此，对于四分之一波长等小型化的四臂螺旋天线，其端口的输入阻抗是无法在工程上通过采用如四分之一波长的阻抗变换器、平衡巴伦变换器等传统的阻抗匹配结构来实现匹配。W.I.Son等人于2011年在Electronics Letters上发表文章Compact Square QuadrifilarHelix Antenna for SDARS Application in Portable Terminals，针对四分之一波长的四臂螺旋天线，提出通过在螺旋臂上靠近螺旋臂馈电点的区域选择合适的位置，并联短路枝节线就能够起到阻抗匹配的作用。又如授权公告号为CN205646139U的中国专利公开了一种全向四臂螺旋天线装置，四个螺旋辐射臂在底部通过一根匹配线相连接就能达到阻抗匹配的目的。以上两种阻抗匹配方式均通过将阻抗匹配结构并联在辐射的螺旋臂上，无法在结构上相互分离，不利于阻抗匹配理论以及辐射理论的分析，同时该阻抗匹配结构与螺旋臂结构一样也会产生辐射，在一定程度上会影响四臂螺旋天线的远区辐射场特性,对于四分之三波长以及非小型化的四臂螺旋天线，则没有这样的问题；其次，若对由金属丝绕制的螺旋臂结构也采取该方式进行匹配，实际加工或焊接比较困难并且精度上不可保证，即该阻抗匹配结构具有一定的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种小型化四臂螺旋天馈系统。
本发明采取的技术方案如下：
一种小型化四臂螺旋天馈系统，包括馈电结构，阻抗匹配结构，四臂螺旋辐射结构；
所述馈电结构有一个输入端口，四个输出端口，其中四个输出端口输出幅度相等，相位依次正交；
所述阻抗匹配结构采用平面电路来实现，有四个输入端口和四个输出端口；其中四个输入端口分别与馈电结构的四个输出端口相连。
所述四臂螺旋辐射结构由四条形状结构相同的小型化螺旋臂组成，小型化螺旋臂的等效长度为四分之一波长，其中小型化螺旋臂一端开路，另一端分别与阻抗匹配结构的四个输出端口相连。
作为优选，所述平面电路结构，由对应输入、输出端口之间串联的平面枝节线以及并联在串联的平面枝节线上的平面枝节线组成，串联枝节线、并联枝节线的长度均小于四分之一波长。
作为优选，所述天馈系统用于四臂螺旋辐射结构电尺寸不超过四分之一波长的小型化四臂螺旋天线。
与现有技术相比本发明的优点在于：通过平面电路来实现阻抗匹配结构，将阻抗匹配结构从阻抗匹配与四臂螺旋辐射整体结构中分离出来，建立了清晰的馈电结构-阻抗匹配结构-辐射结构的级联关系，便于馈电、阻抗匹配以及辐射的理论分析，同时消除了阻抗匹配结构对辐射性能的影响；其次，该平面电路实施的阻抗匹配结构不仅适合印制结构的小型化四臂螺旋辐射结构，对于金属丝绕制的小型化四臂螺旋结构也能实现阻抗匹配，具有较强的工程可实施性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3为传统型小型化四臂螺旋天馈系统的原理示意图；
图4为传统型小型化四臂螺旋天馈系统的结构示意图；
图5为本发明实施例与传统型小型化四臂螺旋天馈系统端口反射系数的对比曲线图；
图6为本发明实施例的x-z面辐射方向图；
图7为传统型小型化四臂螺旋天馈系统的x-z面辐射方向图；
附图标号说明：1.馈电结构，2.阻抗匹配结构，3.四臂螺旋辐射结构，4.馈电结构，5.阻抗匹配与小型化四臂螺旋辐射整体结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，一种小型化四臂螺旋天馈系统，包括馈电结构1，阻抗匹配结构2，四臂螺旋辐射结构3；
所述馈电结构1有一个输入端口，四个输出端口，其中四个输出端口输出幅度相等，相位依次正交；
所述阻抗匹配结构2采用平面电路来实现，有四个输入端口和四个输出端口；所述平面电路结构2，由对应输入、输出端口之间串联的平面枝节线以及并联在串联的平面枝节线上的平面枝节线，串联枝节线的长度、并联枝节线的长度以及并联枝节线终端的开短路状态根据四臂螺旋辐射结构3的电特性来确定,其中四个输入端口分别与馈电结构1的四个输出端口相连。
所述四臂螺旋辐射结构3由四条形状结构相同的小型化螺旋臂组成，小型化螺旋臂的等效长度为四分之一波长，其中小型化螺旋臂一端开路，另一端分别与阻抗匹配结构2的四个输出端口相连。
如图3、4所示，目前传统型小型化四臂螺旋天馈系统包含馈电结构4，阻抗匹配与小型化四臂螺旋辐射整体结构5；所述馈电结构4有一个输入端口，四个输出端口，其中四个输出端口输出幅度相等，相位依次正交；所述阻抗匹配与小型化四臂螺旋辐射整体结构5由四条形状结构相同的小型化螺旋臂以及并联在螺旋臂上的短路枝节组成；所述小型化螺旋臂一端开路，另一端分别与馈电结构4的四个输出端口相连；
本发明天馈系统用于四臂螺旋辐射结构电尺寸不超过四分之一波长的小型化四臂螺旋天线时效果最佳。
对比传统型小型化四臂螺旋天馈系统与本例的小型化四臂螺旋天馈系统的原理示意图以及结构示意图，可以发现传统型小型化四臂螺旋天馈系统的阻抗匹配结构与小型化四臂螺旋辐射结构为一个整体，无法在结构上相互分离，不利于阻抗匹配结构以及小型化四臂螺旋辐射结构单独的分析与设计，并且阻抗匹配结构所产生的辐射场会恶化天线的辐射性能。
对于改进型小型化四臂螺旋天馈系统，通过平面电路来实现阻抗匹配结构，将阻抗匹配结构从阻抗匹配与小型化四臂螺旋辐射整体结构中分离出来，建立清晰的馈电结构-阻抗匹配结构-辐射结构的级联关系，使得馈电结构、阻抗匹配结构、辐射结构的分析设计相互独立。
具有理论可分析性，并且能够消除阻抗匹配结构产生的辐射场对天线辐射性能的影响。
当小型化螺旋臂为金属丝绕制结构时，采用传统型小型化四臂螺旋天线天馈系统时，在小型化螺旋臂上并联短路枝节，对小型化螺旋臂以及并联短路枝节的加工工艺要求苛刻；而采用改进型小型化四臂螺旋天馈系统时，阻抗匹配结构采用平面电路技术实现，加工精度高，能够满足工程应用要求，具有较强的工程可实施性。
如图5所示，传统型小型化四臂螺旋天馈系统与本发明实施例的小型化四臂螺旋天馈系统端口反射系数的对比曲线图，两种天馈系统的端口在1.263GHz到1.274GHz的带宽内，反射系数均在-10dB以下，馈入的电磁波信号被辐射结构所吸收。因此，相对于传统型小型化四臂螺旋天馈系统，本发明实施例的小型化四臂螺旋天馈系统也能使馈入的电磁信号被辐射结构吸收。
如图6、7所示，本发明实施例的小型化四臂螺旋天馈系统的x-z面辐射方向图以及传统型小型化四臂螺旋天馈系统的x-z面辐射方向图，两种天馈系统的最大右旋圆极化增益均为3.8dB，且本例小型化四臂螺旋天馈系统的右旋增益前后比为61.4dB，而传统型小型化四臂螺旋天馈系统的右旋增益前后比为53.6dB，表明相对于传统型小型化四臂螺旋天馈系统，本发明实施例的小型化四臂螺旋天馈系统未损失天线的最大右旋圆极化增益，并且提高了天线的右旋增益前后比。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种小型化四臂螺旋天馈系统，包括馈电结构，阻抗匹配结构，四臂螺旋辐射结构；
所述馈电结构有一个输入端口，四个输出端口，其中四个输出端口输出幅度相等，相位依次正交；
所述阻抗匹配结构采用平面电路来实现，有四个输入端口和四个输出端口；其中四个输入端口分别与馈电结构的四个输出端口相连；
所述四臂螺旋辐射结构由四条形状结构相同的小型化螺旋臂组成，小型化螺旋臂的等效长度为四分之一波长，其中小型化螺旋臂一端开路，另一端分别与阻抗匹配结构的四个输出端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种小型化四臂螺旋天馈系统，其特征在于：所述平面电路结构，由对应输入、输出端口之间串联的平面枝节线以及并联在串联的平面枝节线上的平面枝节线组成，串联枝节线、并联枝节线的长度均小于四分之一波长。
3.根据权利要求2所述的一种小型化四臂螺旋天馈系统，其特征在于：所述天馈系统用于四臂螺旋辐射结构电尺寸不超过四分之一波长的小型化四臂螺旋天线。
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