CN107369904A - 一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线 - Google Patents

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杨青慧
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明属于通信技术领域，提供一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，用以克服现有平面螺旋天线带宽不够宽、增益不够高以及尺寸不够小的问题；本发明包括天线辐射器、背腔、馈电巴伦及馈电接头，背腔内设置有金属空心圆台，金属空心圆台位于介质底板上、中轴线与背腔中轴线重合，其侧表面上任意位置与天线辐射器的垂直距离满足关系式：λ为侧表面上该位置垂直投影至天线辐射器上对应位置处天线辐射器的工作波长。本发明能够兼具低剖面、高增益、超宽带、圆极化、小型化等优点，工作频率扩展到2～40GHz，带宽比为20:1，平均增益达到6.5dBi。

Description

一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及超宽带平面螺旋天线，具体提供一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线。
背景技术
随着通信技术的发展，各种各样的电子设备已占用了绝大部分频带；随着宽带系统的出现，更加要求天线具有宽带甚至超宽带特性，同时，随着超宽带通信、雷达、成像等领域的发展，需要设计出小型化甚至超小型化的超宽带天线。
目前，具有超宽带性能的天线类型主要有喇叭天线、抛物面天线、维瓦尔第天线、对数周期天线、分形天线等，相比于这些超宽带天线，平面螺旋天线表现出稳定的输入阻抗，小型化，宽波瓣，圆极化等独特性能，使其在某些特定场合表现出重大意义和使用价值。
如公开号为CN203707321U、发明名称为“低剖面超宽带定线平面螺旋天线”的专利文献，其中公开平面螺旋天线的频率范围为2～12GHz、带宽比为6:1、平均增益为5dBi；然而随着现在通信领域向高频方向发展的需要，该天线带宽仍不够宽，增益仍不够高。
发明内容
本发明的目的在于针对平面螺旋天线带宽不够宽、增益不够高以及尺寸不够小的问题，提供一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，兼具低剖面、高增益、超宽带、圆极化、小型化等特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，包括天线辐射器、背腔、馈电巴伦及馈电接头，所述天线辐射器设置于背腔顶面、由介质基板及其上的平面螺旋线构成，所述背腔呈圆柱体状、由金属侧壁、位于底面的介质底板及天线辐射器共同形成，所述馈电巴伦设置于背腔内、位于中轴线上，平面螺旋线通过馈电巴伦与位于金属背腔底部的馈电接头相连；其特征在于，所述背腔内还设置有金属空心圆台，所述金属空心圆台位于介质底板上、中轴线与背腔中轴线重合，其侧表面上任意位置与天线辐射器的垂直距离满足关系式：λ为侧表面上该位置垂直投影至天线辐射器上对应位置处天线辐射器的工作波长。
进一步地，所述馈电巴伦由巴伦基板及其两侧的金属线构成，所述巴伦基板呈梯形状、两侧为指数渐变金属线，两侧金属线的渐变指数分别为-0.064和-0.183；馈电巴伦两端的特征阻抗分别为50欧姆和95欧姆，特征阻抗为50欧姆的端连接馈电接头，特征阻抗为95欧姆的一端连接平面螺旋线，馈电巴伦与平面螺旋线通过半圆形过渡结构平滑连接。
所述平面螺旋线为平面等角螺旋线或阿基米德螺旋线，包括两条呈180°旋转对称的金属臂。
需要说明的是，本发明中提及“垂直距离”即指垂直方向(背腔的中轴线方向)的距离，垂直投影也指垂直方向方向的投影；如金属空心圆台侧表面上的位置A到天线辐射器(介质基板)的垂直距离满足数学关系式：则λ表示位置A垂直方向投影至天线辐射器上对应位置处(计算垂直距离时天线辐射器上对应的位置)天线辐射器的工作波长。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，通过在背腔中设置金属空心圆台，其侧表面形成反射面，将天线向后辐射的电磁波反射使电磁波向前辐射，大大提高天线的正向辐射增益，能够使天线的平均增益为6.5dBi；同时，配合平面螺旋线的起始半径、增长率和金属宽度，能够极大的拓展天线的辐射带宽，使天线的工作频率扩展到2～40GHz，带宽比为20:1，实现天线的超宽带；
(2)本发明提供低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，其中，馈电巴伦的基板采用线性变化、金属线采用指数变化，有效提高馈电巴伦将非平衡信号转化为平衡信号的能力，实现馈电接头与辐射器的阻抗匹配；并且，通过降低辐射器的特征阻抗，在保证天线的低回波损耗的同时能够减小巴伦长度，从而使天线的剖面降低到10mm，实现天线的超小型化；另外，馈电巴伦与平面螺旋线的连接处采用扇形过度结构，能够避免可能出现的电容电感效应，降低了天线高频段驻波比。
附图说明
图1为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的三维结构示意图。
图2为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的主视剖视图。
图3为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线辐射器的俯视图。
图4为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线巴伦主视图。
图5为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线巴伦后视图。
图6为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线电压驻波比的仿真曲线图。
图7为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线增益的仿真曲线图。
图8为本发明一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线各频点的轴比仿真方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对于本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
本实施例提供一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，其三维结构示意图如图1所示，图2为与图1对应的主视剖视图，由图可见，本实施例中低剖面高增益超宽带平面螺旋天线包括辐射器1、背腔2、馈电巴伦3及馈电接头4；其中，辐射器1包括介质基板12和平面螺旋线11，介质基板12中央开设长方体槽、用于穿过馈电巴伦3，平面螺旋线11附着在圆柱体的上表面；背腔2由金属空心圆柱体侧壁14、介质底板15和辐射器1共同形成，辐射器1通过介质基板12连接固定在金属空心圆柱体侧壁14的顶面，介质底板15连接固定在金属空心圆柱体侧腔14的底面，介质底腔15上连接固定有金属空心圆台16、其中轴线与背腔中轴线重合；馈电巴伦3包括巴伦基板17和巴伦金属线18，馈电巴伦3位于背腔2内部的中轴线上，馈电巴伦3的两端分别与辐射器1平面螺旋线11和位于背腔2底部的馈电接头4相连。
本实施例中，平面螺旋线11可以为自互补平面等角螺旋线，如图3所示，也可以为自互补阿基米德螺旋线，为了便于加工和降低成本，本实施例中，平面螺旋线11采用相对介电常数为2.2、厚度为0.508mm、半径为44mm的介质基板12单面附铜制作而成。
为了减小天线的剖面厚度和提高天线的工作频率带宽，本实施例增加了平面螺旋线11的线宽，降低了增长率并减小了起始半径，其中，平面螺旋线11的起始半径为0.2mm、增长率为0.3、线宽为0.6mm。
为了避免可能出现的电容电感效应，提升频带内的驻波效果，如图3所示，本实施例中的平面螺旋线11的两臂与馈电巴伦3之间通过特别设计的半圆形过度结构13平滑连接。
为了保证天线在整个频带内的驻波效果，本实施例中，馈电巴伦由巴伦基板及其两侧的金属线构成，巴伦基板呈梯形状、两侧为指数渐变金属线，两侧金属线的渐变指数分别为-0.064和-0.183，如图4、图5所示；馈电巴伦3两端的特征阻抗分别为50Ohm和95Ohm，特征阻抗为50Ohm的一端与馈电接头4相连，特征阻抗为95Ohm的一端与平面螺旋线11相连。
为了提高天线在整个频带内的正向增益并同时保证频带内的方向图和圆极化性能，本实施例设计的金属空心圆柱体侧壁14为内半径为44mm、外半径为45mm、高度为10mm的空心圆柱体，介质基板底板15为内半径为3mm、外半径为45mm、厚度为0.508mm的空心圆柱体，金属空心圆台反射腔16为顶部半径为1.6mm、底部半径为8mm、高度为7.8mm的金属圆台中心剖去顶部半径为顶部半径为0.9mm、底部半径为5mm、高度为7.8mm的圆台而成的金属空心圆台。
以下结合本实施例中低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的工作过程进一步说明其结构和工作原理：
工作时，电流从设置于背腔2底部的馈电接头4馈入，然后沿着馈电巴伦3向上流动，到馈电巴伦3顶部后以等幅反向流动方向流向平面螺旋线的两臂，电流在平面螺旋线11上被辐射，辐射为双向辐射，向后辐射的电磁波经金属空心圆台反射腔16和金属空心圆柱体侧壁14的反射后向前辐射，增加了前向辐射的增益。
本实施例中的一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的驻波仿真结果如图6所示，由仿真结果可以看出在2-40GHz的20个倍频程的频带内，其电压驻波比均在1.78以下，表现出了良好的驻波性能。
本实施例中的一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的增益仿真结果如图7所示，由仿真结果可以看出天线增益均在3.83-8.29dBi范围内，在工作频率的低端随着频率的增高增益逐渐增大，在工作频段的高频部分保持在6-8dBi的范围内，表现出了良好的增益性能。
本实施例中的一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线的轴比仿真结果如图8所示，图中取的为2GHz、4GHz、8GHz、12GHz、16GHz、20GHz、24GHz、28GHz、32GHz、36GHz、40GHz下的仿真结果，可以看出该天线轴比-45°到+45°范围内均小于5dB，具有良好的圆极化特性。
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 (3)

1.一种低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，包括天线辐射器、背腔、馈电巴伦及馈电接头，所述天线辐射器设置于背腔顶面、由介质基板及其上的平面螺旋线构成，所述背腔呈圆柱体状、由金属侧壁、位于底面的介质底板及天线辐射器共同形成，所述馈电巴伦设置于背腔内、位于中轴线上，平面螺旋线通过馈电巴伦与位于金属背腔底部的馈电接头相连；其特征在于，所述背腔内还设置有金属空心圆台，所述金属空心圆台位于介质底板上、中轴线与背腔中轴线重合，其侧表面上任意位置与天线辐射器的垂直距离满足关系式：λ为侧表面上该位置垂直投影至天线辐射器上对应位置处天线辐射器的工作波长。
2.按权利要求1所述低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，其特征在于，所述馈电巴伦由巴伦基板及其两侧的金属线构成，所述巴伦基板呈梯形状、金属线为指数渐变金属线，馈电巴伦与平面螺旋线通过半圆形过渡结构平滑连接。
3.按权利要求1所述低剖面高增益超宽带平面螺旋天线，其特征在于，所述平面螺旋线为平面等角螺旋线或阿基米德螺旋线，包括两条呈180°旋转对称的金属臂。
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