CN108232447A - 一种用于自补结构天线的阻抗变换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于自补结构天线的阻抗变换器，包括介质基板，所述介质基板为圆形的介质基板，在介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为半径的圆形区域为附着于介质基板上的电流传输区，在电流传输区以外的介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为内径，rout为外径的圆环形区域为附着于介质基板上的天线辐射区。在电流传输区分布有N条以圆心为中心呈中心对称的螺旋线形的金属渐变传输线。在天线辐射区分布有N条以圆心为中心呈中心旋转对称的螺旋线，形成一个内径为rin、外径为rout的标准阿基米德螺旋天线。其可以在不增加天线尺寸的情况下完成螺旋天线的阻抗匹配。即直接在自补结构天线口面完成从高阻抗到50欧姆的阻抗匹配，并且不额外增加自补结构天线的尺寸。

Description

一种用于自补结构天线的阻抗变换器
技术领域
本发明涉及天线领域，特别地，涉及一种应用于自补结构天线的阻抗变换器。
背景技术
自补结构天线是一种金属区与开路区对称互补的天线，典型的自补结构天线包括等角螺旋天线，阿基米德螺旋天线以及正弦天线等等。作为一种具有结构自互补特点的辐射单元，自补结构天线的具有频带宽，辐射均匀，相位中心稳定等良好特性。由于性能突出，螺旋天线，正弦天线等自补结构天线广泛应用于超宽带雷达，高精度卫星导航等领域。
但是，自补结构天线的输出阻抗往往较高，根据自补结构天线阻抗理论，天线的阻抗可以根据以下公式计算
其中，N为天线的臂数，而m为天线的工作模式，模式m表示各臂之间馈电相位依次相差2πm/N。例如，比较常用的模式1(天线辐射圆极化电磁波)双臂和四臂自补天线的输出阻抗分别约为180欧姆和133欧姆。
由于射频接口的输入电阻一般为50欧姆，为实现高效的辐射，天线口面与射频接口之间需要进行宽带阻抗匹配，这就是制约自补结构天线尤其是臂数大于2的自补结构天线应用的一个难点。对于双臂自补结构天线，一种较为常见的解决方法是采用宽带巴伦进行阻抗匹配，而对于臂数更多的自补结构天线，一般的解决方法是设计宽带匹配网络，这就大幅增加了天线的设计复杂度和天线的体积。目前，尚未检索到能够实现多臂自补结构天线宽带阻抗匹配同时能保持天线设计复杂度和体积的匹配网络。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其可以在不增加天线尺寸的情况下完成螺旋天线的阻抗匹配。即直接在自补结构天线口面完成从高阻抗到50欧姆的阻抗匹配，并且不额外增加自补结构天线的尺寸。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于自补结构天线的阻抗变换器，包括介质基板，所述介质基板为圆形的介质基板，在介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为半径的圆形区域为附着于介质基板上的电流传输区，在电流传输区以外的介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为内径，rout为外径的圆环形区域为附着于介质基板上的天线辐射区；
在电流传输区分布有N条以圆心为中心呈中心对称的螺旋线形的金属渐变传输线；各渐变传输线靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，其中N≥2；
在天线辐射区分布有N条以圆心为中心呈中心旋转对称的螺旋线，形成一个内径为rin、外径为rout的标准阿基米德螺旋天线；各螺旋线靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，各螺旋线的起始端分别对应连接一渐变传输线的末端且连接处光滑过渡。
作为本发明的优选技术方案，本发明中在各渐变传输线起始端处的介质基板上设有垂直贯穿介质基板的通孔，通孔的数量为N，N≥2。在与电流传输区背对的介质基板的背面设有金属接地面，金属接地面的外缘轮廓与各渐变传输线螺旋形成的最外圈轮廓相对应。这样保证金属接地面的边界与渐变传输线垂直，以保持渐变传输线的特性阻抗稳定。
作为本发明的优选技术方案，本发明中各渐变传输线的线宽从起始端开始随着其长度的增加而逐渐减小直至其末端，设渐变传输线其末端的线宽为w。
作为本发明的优选技术方案，本发明中各渐变传输线的起始端均在以介质基板的圆心为圆心，r0为半径的圆周上，r0＞0；各渐变传输线的末端均在以介质基板的圆心为圆心，rin为半径的圆周上，r0＜rin＜rout。
作为本发明的优选技术方案，本发明中各螺旋线的线宽与渐变传输线其末端的线宽相等即均为w，即电流传输区和天线辐射区这两个区域连接处的阻抗相等以实现阻抗匹配。因此渐变传输线其末端的特征阻抗为螺旋线的输出阻抗ZL。
作为本发明的优选技术方案，本发明天线辐射区中的相邻螺旋线之间的间距(设为s)相等。
作为本发明的优选技术方案，本发明所述渐变传输线为特性阻抗呈线性渐变的线性渐变线、特性阻抗呈指数型渐变的指数型渐变线或者特性阻抗呈切比雪夫型渐变的切比雪夫型渐变线。
作为本发明的优选技术方案，本发明渐变传输线为特性阻抗呈切比雪夫型渐变的切比雪夫型渐变线，如果给出渐变传输线的反射系数容限为ρm，渐变传输线的起始端特性阻抗和末端特性阻抗分别为50Ω和ZL，则渐变传输线的最小长度为
其中，λg为最小频率的波导波长，Z0，ZL分别为渐变传输线起始端和末端的特性阻抗。
本发明在标准阿基米德螺旋天线中嵌入渐变传输线的目的是在有限的尺寸内完成阻抗变换而不影响其他性能。渐变传输线的起始端特性阻抗和末端特性阻抗分别为50Ω和ZL，在介质基板的板材厚度和相对介电常数确定以后，渐变传输线的特征阻抗只取决其线宽。将渐变传输线设计成螺旋形的目的是节约馈电区的空间。渐变传输线的线宽可以设计为呈任意函数的渐变方式，如线性渐变线，指数型渐变线，切比雪夫型渐变线，不同的渐变线有不同的阻抗特性。其中指数型和切比雪夫型是两种应用较多的实现形式。指数型渐变线的副瓣电平更低，且随距离频率升高副瓣电平减小。而切比雪夫型渐变线的主瓣更窄，这就意味着对于相同长度的阻抗变化线，在给定反射系数容限下，切比雪夫型渐变线有更低的截止频率。换句话说，对于给定截止频率和反射系数容限，切比雪夫型渐变线需要的阻抗变换长度更短。
以切比雪夫型渐变线为例，如果给出渐变传输线的反射系数容限为ρm，则渐变传输线的最小长度为
其中，λg为最小频率的波导波长，Z0，ZL分别为渐变传输线起始端和终端的特性阻抗。
相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：
电流传输区起始端的特征阻抗为50Ω，作为输出端口与射频连接器或者同轴内芯相连，两者形成良好阻抗匹配。电流传输区终端的特征阻抗自补结构天线输出阻抗相等，两者同样形成良好阻抗匹配。电流传输区的起始端与终端之间为渐变传输线，就可以实现从天线到射频连接器之间的阻抗变换。
通过在自补结构天线内部嵌入渐变传输线，在不显著增加天线占用空间的情况下完成了自补结构的宽带阻抗匹配，大大降低了天线的设计复杂度。
附图说明
图1给出了本发明的一具体实施例的正面俯视图(N＝4)；
图2给出了本发明的一具体实施例的背面俯视图(N＝4)；
图3给出了本发明的一具体实施例其电流传输区的细节图；
图4给出了指数型和切比雪夫型渐变传输线的反射系数随频率变化的曲线图；
图5给出了天线的顶点增益随频率变化的曲线图；
图6给出了天线的顶点轴比随频率变化的曲线图；
图7给出了天线的辐射效率随频率变化的曲线图；
图8给出了天线的总效率随频率变化的曲线图；
图中标号：
1、天线辐射区；11、螺旋线；
2、电流传输区；21、渐变传输线；22、金属接地面；23、通孔。
3、介质基板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
参照图1、图2和图3，给出了本发明的一具体实施例的正面俯视图以及背面俯视图。如图1所示，一种用于自补结构天线的阻抗变换器，包括介质基板3，所述介质基板3为圆形的介质基板，在介质基板3上以介质基板3的圆心为圆心，rin为半径的圆形区域为附着于介质基板3上的电流传输区2，在电流传输区2以外的介质基板3上以介质基板3的圆心为圆心，rin为内径，rout为外径的圆环形区域为附着于介质基板3上的天线辐射区1。
参照图1和图3，在电流传输区2分布有N(N≥2)条以圆心为中心呈中心对称的螺旋线形的金属渐变传输线21。本实施例中，N＝4。各渐变传输线21靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，各渐变传输线21的线宽从起始端开始随着其长度的增加而逐渐减小直至其末端，渐变传输线21其末端的线宽设为w，各渐变传输线21的起始端均在以介质基板3的圆心为圆心，r0为半径的圆周上，r0＞0；各渐变传输线21的末端均在以介质基板3的圆心为圆心，rin为半径的圆周上，r0＜rin＜rout。在各渐变传输线21起始端处的介质基板3上设有贯穿介质基板的通孔23，因此通孔23的数量为N(N≥2)。本实施例中，N＝4。在与电流传输区2背对的介质基板3的背面设有金属接地面22，金属接地面22的外缘轮廓与各渐变传输线螺旋形成的最外圈轮廓相对应。这样保证金属接地面22的边界与渐变传输线21垂直，以保持渐变传输线的特性阻抗稳定。
参照图1，在天线辐射区1分布有N(N≥2)条以圆心为中心呈中心旋转对称的螺旋线11，形成一个内径为rin、外径为rout的标准阿基米德螺旋天线。本实施例中，N＝4。各螺旋线11靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，各螺旋线11的起始端分别对应连接一渐变传输线21的末端且连接处光滑过渡；各螺旋线11的线宽与渐变传输线21其末端的线宽相等即均为w，相邻螺旋线11之间的间距(设为s)相等。本发明中各螺旋线11的线宽与渐变传输线其末端的线宽相等，即电流传输区2和天线辐射区1这两个区域连接处的阻抗相等以实现阻抗匹配，因此渐变传输线其末端的特征阻抗为螺旋线的输出阻抗ZL。
图3为给出了本发明的一具体实施例其电流传输区的细节图。在螺旋天线中嵌入渐变传输线的目的是在有限的尺寸内完成阻抗变换而不影响其他性能。渐变传输线的起始端特性阻抗和末端特性阻抗分别为50Ω和ZL，在介质基板的板材厚度和相对介电常数确定以后，渐变传输线的特征阻抗只取决其线宽。将渐变传输线设计成螺旋形的目的是节约馈电区的空间。渐变传输线的特性阻抗可以设计为呈任意函数的渐变方式，如线性渐变线，指数型渐变线，切比雪夫型渐变线。其中指数型和切比雪夫型是两种应用较多的实现形式。图4给出了指数型和切比雪夫型渐变传输线的反射系数随频率变化的曲线，可以看到，指数型渐变线的副瓣电平更低，且随距离频率升高副瓣电平减小。而切比雪夫型渐变线的主瓣更窄，这就意味着对于相同长度的阻抗变化线，在给定反射系数容限下，切比雪夫型渐变线有更低的截止频率。换句话说，对于给定截止频率和反射系数容限，切比雪夫型渐变线需要的阻抗变换长度更短。
以切比雪夫型渐变线为例，如果给出渐变传输线的反射系数容限为ρm，则渐变传输线的最小长度为
其中，λg为最小频率的波导波长，Z0，ZL分别为渐变传输线起始端和终端的特性阻抗。
确定截止频率后，根据切比雪夫渐变线反射系数与变换线长度的关系，可以得到给定反射系数容限ρm，渐变线的最小长度
阿基米德螺旋天线的输出阻抗一般较高，根据Dechamp自补结构的阻抗理论，在介质中，工作在m模式的N臂阿基米德螺旋天线的可以根据下式确定
其中，εeff为介质的等效介电常数，用介质材料的相对介电常数估计，对于印制在相对介电常数为εr的PCB的微带螺旋天线，计算输出阻抗的等效介电常数可以估计为(εr+1)/2。
根据阿基米德螺旋天线的阻抗计算公式(3.2.2)，在介电常数为3.48时，圆极化工作模式(m＝1即模式1，模式1为四个臂的馈电幅度相等，相位依次相差90°，形成最大增益方向在轴向的圆极化辐射)的四臂螺旋天线辐射口面的输出阻抗约为90Ω。若给定反射系数容限为-20dB，则可以计算渐变线的最小长度约为0.28λg，λg为截止频率的波导波长。设定截止频率为1GHz，则渐变传输线的长度不能小于56mm。
为了利用有限的空间，渐变传输线设计成与辐射螺旋线同样旋向的螺旋线形，渐变传输线的螺旋周数为一整周，则渐变传输线的长度可以用以下积分式计算
其中，电流传输区的渐变传输线的螺旋增长率为αt，等于(rin-r0)/2π。
利用Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS建立一个螺旋形渐变传输线模型，螺旋内径为6mm，外径为14mm，则可以计算单条渐变传输线的长度为62.8mm，满足最低长度要求。
下表中给出了一个渐变线阻抗匹配的四臂螺旋天线的具体设计参数：
表1 天线的主要设计参数
用HFSS依照表1对天线进行建模并进行仿真，图5、图6、图7和图8分别给出了天线的顶点增益、轴比、辐射效率和总效率随频率变化的曲线。可以看到，天线在1～2.6G范围内保持了90％以上总效率，在GNSS的L频段内总效率在95％以上。图中显示了天线非常显著的频率截止效应。
值得注意的是，本发明适应于臂数大于2(N≥2)的所有多臂自补结构天线的情况，并且不对自补结构的具体形状进行约束。但是为便于说明，上述实施例以及对应的附图中中仅示出四臂阿基米德螺旋天线这一种情况。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板为圆形的介质基板，在介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为半径的圆形区域为附着于介质基板上的电流传输区，在电流传输区以外的介质基板上以介质基板的圆心为圆心，rin为内径，rout为外径的圆环形区域为附着于介质基板上的天线辐射区；
在电流传输区分布有N条以圆心为中心呈中心对称的螺旋线形的金属渐变传输线；各渐变传输线靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，其中N≥2；
在天线辐射区分布有N条以圆心为中心呈中心旋转对称的螺旋线，形成一个内径为rin、外径为rout的标准阿基米德螺旋天线；各螺旋线靠近圆心的一端为起始端，远离圆心的一端为末端，各螺旋线的起始端分别对应连接一渐变传输线的末端且连接处光滑过渡。
2.根据权利要求1所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：各渐变传输线的线宽从起始端开始随着其长度的增加而逐渐减小直至其末端，渐变传输线其末端的线宽设为w。
3.根据权利要求2所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：各渐变传输线的起始端均在以介质基板的圆心为圆心，r0为半径的圆周上，r0＞0；各渐变传输线的末端均在以介质基板的圆心为圆心，rin为半径的圆周上，r0＜rin＜rout。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：各螺旋线的线宽与渐变传输线其末端的线宽相等即均为w，即电流传输区和天线辐射区这两个区域连接处的阻抗相等以实现阻抗匹配。
5.根据权利要求4所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：在天线辐射区中的相邻螺旋线圈之间的间距相等。
6.根据权利要求6所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：渐变传输线为特性阻抗呈线性渐变的线性渐变线、特性阻抗呈指数型渐变的指数型渐变线或者特性阻抗呈切比雪夫型渐变的切比雪夫型渐变线。
7.根据权利要求5所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：渐变传输线为特性阻抗呈切比雪夫型渐变的切比雪夫型渐变线，如果给出渐变传输线的反射系数容限为ρm，渐变传输线的起始端特性阻抗和末端特性阻抗分别为50Ω和ZL，则渐变传输线的最小长度为
其中，λg为最小频率的波导波长，Z0，ZL分别为渐变传输线起始端和末端的特性阻抗。
8.根据权利要求1所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：在各渐变传输线起始端处的介质基板上设有贯穿介质基板的通孔，通孔的数量为N，N≥2。
9.根据权利要求8所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：在与电流传输区背对的介质基板的背面设有金属接地面，金属接地面的外缘轮廓与各渐变传输线螺旋形成的最外圈轮廓相对应。
10.根据权利要求1所述的一种用于自补结构天线的阻抗变换器，其特征在于：N＝4。
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