CN107069190A - 高功率低轮廓螺旋天线及其构成的天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域。本发明公开了一种高功率低轮廓螺旋天线，包括同轴波导，反射背腔，螺旋体和匹配球体，所述同轴波导的内导体顶端与匹配球体连接，所述匹配球体与螺旋体连接，所述螺旋体上升方向指向内导体延长线方向，所述同轴波导的外导体与反射背腔连接，所述反射背腔置于同轴波导外导体的顶端，所述反射背腔直径＞同轴波导外径，所述螺旋体至少部分置于反射背腔内。本发明同时公开了一种高功率低轮廓螺旋天线阵列，由N个螺旋天线排列成阵列构成，N≥2。本发明的高功率低轮廓螺旋天线具有反射小、功率容量高、轴向尺寸短的特点，非常适合天线阵列组阵。

Description

高功率低轮廓螺旋天线及其构成的天线阵列
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域，特别是高功率微波辐射领域，具体涉及一种新型高功率低轮廓螺旋天线。
背景技术
近年来，高功率微波辐射技术发展迅速，由于阵列天线易于实现天线的高增益、高效率、高功率和圆极化辐射等而受到广泛重视。高功率径向线阵列是一种适用于高功率应用的新型辐射天线，现已有高功率圆阵[李相强；赵柳；陈晓波.GW级高功率径向线螺旋阵列天线,西南交通大学学报，2009]、矩形栅格高功率矩形阵[马睿，刘庆想，李相强.64单元矩形径向线阵列天线馈电网络的设计,强激光与粒子束，2011]和三角形栅格高功率矩形阵[马睿，刘庆想，李相强.64单元矩形径向线阵列天线馈电网络的设计,强激光与粒子束，2013]等多种阵列布局结构。为了实现阵列天线的圆极化，高功率径向线阵列天线均采用螺旋天线作为单元天线。
螺旋天线应用广泛，其形式有很多种。最早由美国科学家John D Kraus在实验中发现其可在轴向辐射圆极化波，之后学者们根据实际应用需求的不同，提出了多种不同类型和结构的螺旋天线，例如根据螺旋天线绕成的形状不同，可将螺旋天线分为圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线、平面螺旋天线等。圆柱形螺旋天线[John D Kraus.50-OHM INPUTIMPEDANCE FOR HELICAL BEAM ANTENNAS.IEEE Transactions on Antennas andPropagation.1977]是将金属导线绕制成一定尺寸的圆柱形螺旋线,其一端处于自由状态,另一端用同轴线内导体馈电,馈电端的金属接地板与同轴线的外导体相连。轴向辐射状态的圆柱螺旋天线具有以下的特点:沿天线轴线方向有最强的辐射、辐射场是圆极化场、沿螺旋导线传播的电流波是行波、输入阻抗近似地等于纯电阻、频带较宽。圆锥螺旋天线[胡慧琳；谭云华；朱柏承；圆锥对数螺旋天线辐射特性的理论分析,电波科学学报，2011]较圆柱螺旋天线具有更宽的频带，并更能满足波瓣宽度的要求，且具有螺旋天线宽波束圆极化，体积小，重量轻，结构稳定，增益较高等特点，在各种参数的改变下，被广泛应用于卫星通信中。平面螺旋天线[李卉.一种新型平面阿基米德螺旋天线的分析与设计.雷达与对抗，2006]已经发展了几十年，相对于国内的技术水平，国外发展的比较成熟。人们较为熟悉的阿基米德平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其结构紧凑、尺寸小、重量轻而得以广泛应用[温斌.低轮廓、圆极化阿基米德螺旋天线的研究.硕士论文，2014]。如今这种天线在探地雷达中得到较好的探测效果。
上述轴向模螺旋天线要求匝数在3圈以上、螺旋升角约12°～14°，这样的限制导致天线的轴向尺寸较长。日本学者在研究中发现了少匝数和小螺旋升角相结合的短螺旋天线[H.Nakano,H.Takeda,T.Honma,et al.Extremely Low-profile Helix Radiating aCircularly Polarized Wave.IEEE Trans.On Antennas and Propagation,1991]同样可以辐射良好的圆极化波，他们采用的方法是在螺旋线电流分布的第一个最小值点处将螺旋截断，它具有波瓣宽度宽、轴比良好、增益较高等优点，加上其轴向尺寸短的特点，已经被应用到阵列天线中[Nakano H,Takeda H,Kitamura Y,et al.Low-profile helical arrayantenna fed from a radial waveguide[J].IEEE Trans on Antennas andPropagation,1992]。采用短螺旋天线可以辐射圆极化波,短螺旋天线由于圈数少,相对与长螺旋而言轴向尺寸短,将其用作阵列天线的单元天线,有助于减小阵列天线的轴向尺寸，因此高功率径向线阵列天线多采用短螺旋天线作为单元天线[张健穹.高功率高增益径向线螺旋阵列天线研究,博士论文，2011]。这类阵列天线要实现高功率微波的辐射，应具有较高的功率容量水平，而目前限制其功率容量的关键在于单元天线。为了提高短螺旋天线的功率容量水平，李相强等针对C波段应用提出了一种改进方案[李相强，刘庆想，赵柳.短螺旋天线改进设计.微波学报,2009]，改进后的短螺旋天线轴向方向性系数为8.75dB，轴向轴比为1.22dB，螺旋圈数为1.5圈。之后，张英静等进一步研究了减小短螺旋单元天线间互耦的方法，研究了一种短螺旋-圆锥喇叭天线[张英静、刘庆想、张健穹等.短螺旋-圆锥喇叭天线设计与分析.强激光与粒子束，2011]，其适用于阵列的单元间距大于0.9个波长的情况。
上述研究表明，螺旋天线在不同应用背景和应用需求的牵引下，发展出了许多类型和形式，并得到了应用。而针对高功率微波应用的短螺旋天线的研究才刚刚起步，其功率容量水平距离实际需求还有相当距离，其轴向长度对实现系统的低轮廓具有重要影响。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高功率低轮廓螺旋天线，提高螺旋天线功率容量减小螺旋天线轴向长度。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种高功率低轮廓螺旋天线，包括同轴波导，反射背腔，螺旋体和匹配球体，所述同轴波导的内导体顶端与匹配球体连接，所述匹配球体与螺旋体连接，所述螺旋体上升方向指向内导体延长线方向，所述同轴波导的外导体与反射背腔连接，所述反射背腔置于同轴波导外导体的顶端，所述反射背腔直径＞同轴波导外径，所述螺旋体至少部分置于反射背腔内。
进一步的，所述同轴波导的内导体和螺旋体分别连接在匹配球体两条正交的直径上，且同轴波导的内导体轴线与匹配球体直径重合。
进一步的，所述螺旋体由两段线径相等，旋向相同，旋转半径不同的螺旋线连接构成。
更进一步的，所述螺旋线直径与同轴波导的内导体直径相等，所述匹配球体直径≥所述螺旋线直径
更进一步的，所述螺旋线匝数为0.8，螺旋升角为4.5°。
进一步的，所述螺旋体和/或匹配球体为空芯结构。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的另一个方面，提供了一种高功率低轮廓螺旋天线阵列，由N个上述螺旋天线排列成阵列构成，N≥2。
进一步的，所述阵列为矩形阵列。
进一步的，所述阵列由i行j列构成，同一列上的螺旋天线分别位于相间各行，i×j＝N。
进一步的，所述阵列为环形阵列。
本发明的有益效果是进一步提高了天线的功率容量，降低了天线的轴向长度，实现了低轮廓。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的示意图；
图2为实施例的俯视图；
图3为反射背腔外部轮廓为正方形的天线立体图；
图4为实施例螺旋天线的电磁场分布仿真结果示意图；
图5为实施例螺旋天线的反射曲线示意图；
图6为实施例螺旋天线的二维方向图；
图7为螺旋天线组成的阵列示意图；
图8为交错排列的螺旋天线组成的阵列示意图；
图9为螺旋天线组成的环形阵列示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例
参见图1、图2、和图3，本例高功率低轮廓螺旋天线包括同轴波导1，反射背腔2，螺旋体3和匹配球体4。同轴波导1的内导体10和螺旋体3分别连接在匹配球体4两条正交的直径上，且同轴波导1的内导体10轴线OP与匹配球体4直径重合，如图1所示。匹配球体4置于同轴波导1的内导体10的顶端，螺旋体3上升方向指向内导体10延长线方向，即图1中OP方向。同轴波导1的外导体11与反射背腔2连接，反射背腔2为圆柱形并置于同轴波导1外导体11的顶端，反射背腔2直径＞同轴波导1外径，反射背腔2的高度h，即反射背腔2的深度。反射背腔2的直径和高度应能够容得下螺旋体3，或者使得螺旋体3至少部分置于反射背腔2内。
本例这种结构的螺旋天线，通过对同轴波导1，反射背腔2和螺旋体3结构尺寸的设计，可以实现对输入功率的良好匹配，降低单元间相互耦合，提高天线功率容量。由于微波传输的复杂性，特别是在结构突变的地方，如同轴波导1的内导体10和螺旋体3连接处等，本发明采用匹配球体4进行过渡连接的方式，有利于降低连接处的微波反射和单元间相互耦合。特别是同轴波导1的内导体10和螺旋体3分别连接在匹配球体4两条正交的直径上，并且同轴波导1的内导体10轴线与匹配球体4直径重合，进一步降低了低连接处的微波反射和单元间相互耦合，提高了天线功率容量和性能。
本例天线中，螺旋体3采用两段线径相等，旋向相同，旋转半径不同的螺旋线连接构成，见图1和图2中的3a和3b。3a为与匹配球体相连的内螺旋，3b为与内螺旋连接的外螺旋，一般内螺旋旋转半径小于外螺旋旋转半径。这里匹配球体4直径≥螺旋线直径，并且螺旋线直径与同轴波导1内导体10直径相等。
当本例天线工作频率为2.856GHz时，天线主要参数如下：
同轴波导内外导体直径分别为30mm和7mm，圆柱形反射背腔的直径和高度分别为56mm和10mm，螺旋线3a的旋转半径和旋转角度分别为6.4mm和127°，末端升高2.1mm，螺旋线3b的旋转半径为17mm，旋转角度为90°，末端升高8mm，整个螺旋体圈数为0.8圈，螺旋体线径为7.5mm。本例天线采用低匝数(0.8圈螺旋)和小螺距(螺旋升角仅4.5°)的结构，使得天线线径可以进一步增加到0.07个波长，有利于大功率输入模式的工作状态，并且螺旋体部分虽然由两段旋向相同，旋转半径不同的螺旋线连接构成，但由于两段螺旋线采用了相同的线径和相同的螺旋升角，大大降低了结构突变，实现了平缓过渡和低轮廓。
以图3所示天线为例，图4给出了电磁场仿真结果，在工作频率下，表面最大电场强度为3510V/m，增益约为7dB，轴比为1.6dB。图5给出的反射曲线表明，在2.7～3GHz频带范围内，本例天线反射系数小于0.1。由图6所示的天线二维方向图可以看出，本例天线在正负75°范围内具有较大的增益。
考虑到微波电流的趋肤效应，本发明螺旋体3、匹配球体4在保证结构强度的条件下，可以做成空芯结构，以降低天线重量。
本发明的另一方面，提供了由上述螺旋天线排列成阵列构成的天线阵列，通过将多个天线规则排列，可以组阵成为天线阵列并应用于高功率微波场合，阵列中天线单元的数量可以根据实际需要，如覆盖范围、辐射功率等进行选择。图7示出了一种等间距规则排列的6×6矩形阵列，阵列中包含36个相同结构的天线单元。图8表示的是一种紧密排列的天线阵列，阵列由6行6列构成，同一列上的螺旋天线分别位于相间各行。这种交错排列的阵列可以在有限空间布置更多的天线单元，并且天线单元分布更加均匀，可以提高天线阵列辐射的功率密度和均匀性，更适合大功率微波发射领域。
图9给出的天线阵列为环形阵列，也是一种紧密排列的均匀布局方式，同样具有高功率密度的特点。
根据实验数据，采用图8所示排列方式的阵列天线，组阵后的表面最大电场约为4600V/m，按照真空击穿阈值计算，单元天线的设计功率容量约50MW。
上述结果表明，本发明的高功率低轮廓螺旋天线具有反射小、功率容量高、轴向尺寸短的特点，非常适合天线阵列组阵。

Claims (10)

1.高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，包括同轴波导(1)，反射背腔(2)，螺旋体(3)和匹配球体(4)，所述同轴波导(1)的内导体(10)顶端与匹配球体(4)连接，所述匹配球体(4)与螺旋体(3)连接，所述螺旋体(3)上升方向指向内导体(10)延长线方向，所述同轴波导(1)的外导体(11)与反射背腔(2)连接，所述反射背腔(2)置于同轴波导(1)外导体(11)的顶端，所述反射背腔(2)直径＞同轴波导(1)外径，所述螺旋体(3)至少部分置于反射背腔(2)内。
2.根据权利要求1所述的高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，所述同轴波导(1)的内导体(10)和螺旋体(3)分别连接在匹配球体(4)两条正交的直径上，且同轴波导(1)的内导体(10)轴线与匹配球体(4)直径重合。
3.根据权利要求1所述的高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，所述螺旋体(3)由两段线径相等，旋向相同，旋转半径不同的螺旋线连接构成。
4.根据权利要求3所述的高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线直径与同轴波导(1)的内导体(10)直径相等，所述匹配球体(4)直径≥所述螺旋线直径。
5.根据权利要求4所述的高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线匝数为0.8，螺旋升角为4.5°。
6.根据权利要求1所述的高功率低轮廓螺旋天线，其特征在于，所述螺旋体(3)和/或匹配球体(4)为空芯结构。
7.高功率低轮廓螺旋天线阵列，由N个上述任意一项权利要求所述的螺旋天线排列成阵列构成，N≥2。
8.根据权利要求7所述的高功率低轮廓螺旋天线阵列，其特征在于，所述阵列为矩形阵列。
9.根据权利要求8所述的高功率低轮廓螺旋天线阵列，其特征在于，所述阵列由i行j列构成，同一列上的螺旋天线分别位于相间各行，i×j＝N。
10.根据权利要求7所述的高功率低轮廓螺旋天线阵列，其特征在于，所述阵列为环形阵列。
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