CN107968250A - 一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，包括四根螺旋天线、与四根螺旋天线电性连接的巴伦、用于支撑巴伦的金属底板；巴伦包括具有中空结构的外导体、同轴放置在外导体内部的内导体；外导体的顶部沿轴线方向开有四条缝隙，用于实现四根螺旋线上的电场幅度相等，相位依次相差90°，四条缝隙将外导体分为四个外导体单元，内导体与四个外导体单元中的第一外导体单元电性连接；外导体底部设有数据接收端口，金属底板开有通孔，通孔位置对应于数据接收端口，用于放置数据接收装置。该种四臂螺旋天线的四条臂只形成天线方向图，不进行相位控制，巴伦产生天线四条臂所需的相位差，降低了四臂螺旋天线设计的难度。

Description

一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线

技术领域

本发明属于低轨道卫星星载天线设计领域，尤其涉及一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线。

背景技术

低轨道卫星通常应用宽波束圆极化天线作为其接收天线，以保证接收尽量多颗卫星的信号。四臂螺旋天线由于具有较宽的圆极化辐射波束，可以在较低的仰角位置上保持较高的增益，通过调节其物理尺寸可以方便地得到不同的辐射方向图，且具有波束宽、结构紧凑、体积小、重量轻，无需参考地等优点，在GPS，北斗等卫星导航系统得到了广泛应用。

Kilgus于上世纪六七十年代提出了四臂螺旋天线，这种天线是由四根馈电电流幅度相等，相位依次相差90°的螺旋线组成的谐振式辐射结构。幅度相位通过平衡馈电结构来实现，常采用U型管、λ/4开槽同轴线。

由于四臂螺旋天线可以等效看作由两个双臂螺旋天线组成,这两个双臂螺旋需要以90°相位差馈电。那么双臂螺旋1的单元长度应比双臂螺旋2的单元长度多出谐振波长的四分之一。这种长度差可以使两个双螺旋臂产生90°相位差。这种方式结构简单，不需要附加馈电网络，但由于相位控制需要结构同时满足多个条件，实现起来比较困难，而且该结构的带宽较窄。

第二种方法是采用了馈电网络来实现四臂螺旋的90°相移，一般采用3dB定向耦合器。这种方式虽然能很好的实现相位控制，但结构比较复杂。3dB定向耦合器由两个平行的主传输线、中间用许多分支传输线相互耦合而成。分支的长度以及间距是中心频率的1/4波长，使两个输出端口产生90°相移。但是当工作频率较低时，馈电网络尺寸较大，受到参考地尺寸的严重制约，同时还需功分器，馈电网络体积大。

第三种方法是采用在馈电处并联电缆的方法，通过调整电缆长度来实现90°相移，四根螺旋臂长度不变，而在其中一个双臂螺旋的馈电处并联一段开路同轴线，通过该段同轴线阻抗变化达到90°移相的馈电要求。该方法的带宽介于第二，第三种方法之间。但是，当采用同轴电缆给四臂螺旋天线馈电时，同轴电缆外导体接地，是非平衡传输线结构，当它的内、外导体分别连接在天线的两条臂上进行馈电时，内导体上连接的那条臂和同轴线外导体之间存在分布参数，导致该臂上的电流以位移电流的形式泄漏到外导体上，从而使两臂上的电流不相等，这种非平衡性会改变天线的辐射方向图，使之成为不对称的方向图，引起馈线与天线失配。因此，在天线与同轴线连接时，不仅要考虑阻抗匹配而且还要进行非平衡到平衡的变换，如套筒巴伦、缝隙巴伦和无限巴伦等。天线的四臂同时需要控制方向图和相位差，调试的难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，

该种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线的四条臂只形成天线方向图，不进行相位控制，巴伦产生天线四条臂所需的相位差，能够精确实现90°相位差，降低了四臂螺旋天线设计的难度。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，包括四根螺旋天线、与所述四根螺旋天线电性连接的巴伦、用于支撑所述巴伦的金属底板；

所述巴伦包括具有中空结构的外导体、同轴放置在所述外导体内部的内导体；

所述外导体的顶部沿轴线方向开有四条缝隙，用于实现所述四根螺旋线上的电场幅度相等，相位依次相差90°，所述四条缝隙将所述外导体分为四个外导体单元，所述四个外导体单元分别通过金属悬臂与所述四根螺旋天线连接，所述内导体与所述四个外导体单元中的第一外导体单元电性连接；

所述外导体底部设有数据接收端口，所述金属底板开有通孔，所述通孔位置对应于所述数据接收端口，用于放置数据接收装置。

根据本发明的一个实施例，所述四条缝隙中的第二缝隙的长度与所述四条缝隙中的第一缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第三缝隙的长度与所述四条缝隙中的第二缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第四缝隙的长度与所述四条缝隙中的第三缝隙的长度相同，其中，λ为接收信号的波长。

根据本发明的一个实施例，所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙的长度分别为λ/8、λ/4、3λ/8、3λ/8。

根据本发明的一个实施例，从所述外导体的顶部沿轴线方向看，所述四条缝隙逆时针排布时，同时螺旋线逆时针旋转时，天线实现左旋圆极化方向；所述四条缝隙顺时针排布时，同时螺旋线顺时针旋转时，天线实现右旋圆极化方向。

根据本发明的一个实施例，所述四根螺旋天线的螺旋方向与所述四条缝隙排布方向相一致。

根据本发明的一个实施例，所述内导体与所述外导体的直径比满足50Ω阻抗。

根据本发明的一个实施例，所述四个外导体单元的顶部的厚度大于所述外导体的导体壁厚。

根据本发明的一个实施例，所述四根螺旋天线的臂长为设计频率的半波长，天线轴向长为105mm，螺旋直径为31mm。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)通过在巴伦外导体上开4条缝隙来实现四臂螺旋天线所需的依次90°相位差，四臂螺旋天线的四条臂分别连接外导体的四个外导体单元上，四臂螺旋的四条臂只形成天线方向图，不进行相位控制，巴伦产生天线四条臂所需的相位差，该巴伦结构简单，能够精确实现90°相位差，降低了星载四臂螺旋天线设计的难度。采用传统的馈电方式，四臂螺旋天线的背瓣一般只能达到-15dB，本发明设计的巴伦可以独立产生天线所需的相位差，天线的四条臂不需用来移相，天线的方向图背瓣可以优化到-18dB，提高了天线的可靠性和抗干扰能力。

2)通过设置巴伦的所述四条缝隙中的第二缝隙的长度与所述四条缝隙中的第一缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第三缝隙的长度与所述四条缝隙中的第二缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第四缝隙的长度与所述四条缝隙中的第三缝隙的长度相同，可以使通过金属悬臂与四个外导体单元连接的四根天线依次产生90°的相位差。

附图说明

图1为本发明的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线的结构图；

图2为本发明的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线的巴伦结构图；

附图标记说明：

1：巴伦；2：螺旋天线；3：金属悬臂；4：金属底板；5：数据接收端口；6：第四缝隙；7：第三缝隙；8：第二缝隙；9：第一缝隙；10：内导体；11：第一外导体单元；12：第二外导体单元；13：第三外导体单元；14：第四外导体单元；15：外导体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参看图1以及图2，一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，包括四根螺旋天线2、与四根螺旋天线2电性连接的巴伦1、用于支撑巴伦1的金属底板4；巴伦1包括具有中空结构的外导体15、同轴放置在外导体15内部的内导体10；外导体15的顶部沿轴线方向开有四条缝隙，用于实现四根螺旋天线2上的电场幅度相等，相位依次相差90°，四条缝隙将外导体15分为四个外导体单元，四个外导体单元分别通过金属悬臂3与四根螺旋天线2连接，内导体10与四个外导体单元中的第一外导体单元11电性连接；外导体15底部设有数据接收端口5，金属底板4开有通孔，通孔位置对应于数据接收端口5，用于放置数据接收装置。

通过在外导体15上开四条缝隙来实现四臂螺旋天线所需的依次90°相位差，四臂螺旋天线的四条臂分别连接外导体15的四个外导体单元上，螺旋天线2的四条臂只形成天线方向图，不进行相位控制，巴伦1产生天线四条臂所需的相位差，该巴伦1结构简单，能够精确实现90°相位差，降低了星载四臂螺旋天线设计的难度。采用传统的馈电方式，四臂螺旋天线的背瓣一般只能达到-15dB，本发明设计的巴伦可以独立产生天线所需的相位差，天线的四条臂不需用来移相，天线的方向图背瓣可以优化到-18dB，提高了天线的可靠性和抗干扰能力。

进一步地，四条缝隙中的第二缝隙8的长度与四条缝隙中的第一缝隙9的长度差为λ/8，四条缝隙中的第三缝隙7的长度与四条缝隙中的第二缝隙8的长度差为λ/8，四条缝隙中的第四缝隙6的长度与四条缝隙中的第三缝隙7的长度相同，其中，λ为接收信号的波长。第一外导体单元11为第四缝隙6与第一缝隙9之间的外导体单元。

通过设置四条缝隙中的第二缝隙的长度与所述四条缝隙中的第一缝隙的长度差为λ/8，四条缝隙中的第三缝隙的长度与四条缝隙中的第二缝隙的长度差为λ/8，四条缝隙中的第四缝隙的长度与四条缝隙中的第三缝隙的长度相同，可以使通过金属悬臂3与四个外导体单元连接的四根天线依次产生90°的相位差。

在本发明的一个具体实施例中，第一缝隙9、第二缝隙8、第三缝隙7、第四缝隙6的长度分别为λ/8、λ/4、3λ/8、3λ/8。以上具体参数的设计由计算机模拟得到的优化参数，应该意识到，上述具体参数值并不是固定的，根据具体的空间电磁环境可以做相应的数值调整。

进一步地，从外导体15的顶部沿轴线方向看，四条缝隙逆时针排布时，同时螺旋线逆时针旋转时，天线实现左旋圆极化方向；四条缝隙顺时针排布时，同时螺旋线顺时针旋转时，天线实现右旋圆极化方向。在实际应用过程中可以根据左旋圆极化方向或者右旋圆极化方向生产出四条缝隙逆时针排布或者四条缝隙顺时针排布的天线。

进一步地，四根螺旋天线2的螺旋方向与四条缝隙排布方向相一致，螺旋方向与四条缝隙排布方向相一致能够增加接收信号的强度。

进一步地，内导体10与外导体15的直径比满足50Ω阻抗。

进一步地，四个外导体单元的顶部的厚度大于外导体15的导体壁厚，顶部厚度较大，方便连接金属悬臂3。

在本发明的一个具体实施例中，四根螺旋天线2的臂长为设计频率的半波长，轴向长为105mm，螺旋直径为31mm。上述具体实施例的测试结果：天线的轴比方向图‐80°～+80°圆极化轴比都小于3dB，圆极化特性良好。天线背瓣小于‐18dB，很好地满足了工程应用的需要。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，包括四根螺旋天线，其特征在于，

所述星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线还包括与所述四根螺旋天线电性连接的巴伦、用于支撑所述巴伦的金属底板；

所述巴伦包括具有中空结构的外导体、同轴放置在所述外导体内部的内导体；

所述外导体的顶部沿轴线方向开有四条缝隙，用于实现所述四根螺旋天线上的电场幅度相等，相位依次相差90°，所述四条缝隙将所述外导体分为四个外导体单元，所述四个外导体单元分别通过金属悬臂与所述四根螺旋天线连接，所述内导体与所述四个外导体单元中的第一外导体单元电性连接；

所述外导体底部设有数据接收端口，所述金属底板开有通孔，所述通孔位置对应于所述数据接收端口，用于放置数据接收装置。

2.如权利要求1所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述四条缝隙中的第二缝隙的长度与所述四条缝隙中的第一缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第三缝隙的长度与所述四条缝隙中的第二缝隙的长度差为λ/8，所述四条缝隙中的第四缝隙的长度与所述四条缝隙中的第三缝隙的长度相同，其中，λ为接收信号的波长。

3.如权利要求2所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙的长度分别为λ/8、λ/4、3λ/8、3λ/8。

4.如权利要求3所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，从所述外导体的顶部沿轴线方向看，所述四条缝隙逆时针排布时，同时螺旋线逆时针旋转时，天线实现左旋圆极化方向；所述四条缝隙顺时针排布时，同时螺旋线顺时针旋转时，天线实现右旋圆极化方向。

5.如权利要求4所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述四根螺旋天线的螺旋方向与所述四条缝隙排布方向相一致。

6.如权利要求1所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述内导体与所述外导体的直径比满足50Ω阻抗。

7.如权利要求1所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述四个外导体单元的顶部的厚度大于所述外导体的导体壁厚。

8.如权利要求1所述的星载四缝隙馈电的四臂螺旋天线，其特征在于，所述四根螺旋天线的臂长为设计频率的半波长，所述四根螺旋天线的轴向长为105mm，螺旋直径为31mm。