CN108933331B - 阿基米德螺旋阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阿基米德螺旋阵列天线，涉及通信用天线技术领域。所述阵列天线包括天线介质板，螺旋天线单元设置于天线介质板的上表面，反射板设置于所述天线介质板的下侧，所述天线介质板与所述反射板之间通过所述反射板的竖直部分进行连接，每个螺旋天线单元中心的天线介质板上开设有天线馈电口，与所述天线馈电口相对的反射板上开设有过孔，馈电巴伦依次通过天线馈电口和过孔后将螺旋天线单元的天线臂的中心与同轴接头电连接；所述反射板的水平部分的内表面上设置有阵列状排列的EBG金属化图形单元。所述阵列天线具有尺寸小、频带宽以及制作简单等优点。

Description

阿基米德螺旋阵列天线
技术领域
本发明涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种阿基米德螺旋阵列天线。
背景技术
为了使阿基米德螺旋天线产生单向辐射，需要用反射板或者反射腔，传统的金属反射腔高度一般为四分之一波长，从而使天线的辐射效率最高。不仅增大了天线系统的剖面，而且限制了天线的工作频率。目前在军事和商用通信技术领域宽带应用十分普遍，宽带天线是针对天线收发信号的相对带宽而言的，当信号带宽与中心频率之比小于1%时称为窄带，带宽与中心频率之比在1%和25%之间称为宽带，带宽与中心频率之比在25%以上称为超宽带。阿基米德螺旋天线作为一种宽带天线，具有非频变特性。阿基米德螺旋天线设计方面存在的问题主要是超宽频带范围内的馈电和匹配结构设计与实现比较困难，难以保证在超宽频带范围内天线方向性、阻抗特性、轴比特性的基本恒定和较小起伏，此外，天线后向辐射抑制效果不佳，导致效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种尺寸小、频带宽、制作简单的阿基米德螺旋阵列天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：包括天线介质板，螺旋天线单元设置于天线介质板的上表面，反射板设置于所述天线介质板的下侧，所述天线介质板与所述反射板之间通过所述反射板的竖直部分进行连接，每个螺旋天线单元中心的天线介质板上开设有天线馈电口，与所述天线馈电口相对的反射板上开设有过孔，馈电巴伦依次通过天线馈电口和过孔后将螺旋天线单元的天线臂的中心与同轴接头电连接；所述反射板的水平部分的内表面上设置有阵列状排列的EBG金属化图形单元，每个所述EBG金属化图形单元包括两个呈F状的金属化图形，且两个F状的金属化图形的开口相对设置。
进一步的技术方案在于：所述馈电巴伦包括巴伦介质板，所述巴伦介质板的正面设置有指数渐变线形式的微带传输线，所述传输线的前后两侧各设置有一行正六边形的镂空孔，所述传输线一侧的镂空孔之间的距离相等，且前侧的所述镂空孔距离所述传输线的前侧边的距离相等，后侧的所述镂空孔距离所述传输线的后侧边的距离相等。
进一步的技术方案在于：所述巴伦介质板为高介电常数介质板。
进一步的技术方案在于：所述螺旋天线单元呈阵列状布置于所述天线介质板的上表面，且每个所述螺旋天线的前、后、左、右侧设置有频率选择表面FSS单元。
进一步的技术方案在于：所述频率选择表面FSS单元包括FSS金属化图形单元，所述FSS金属化图形单元的主体为正四边形，在每个所述正四边的边上形成有一个向外延伸的正方形，相邻的两个FSS金属化图形单元之间通过窄微带条连接，其中窄微带条的两端分别位于两个相邻的所述FSS金属化图形单元中正四边形的一个角上。
进一步的技术方案在于：所述螺旋天线单元包括两个呈螺旋状设置的天线臂，天线臂的内侧端部相互连接，天线臂的末端宽度逐渐变窄。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述天线单元中天线臂采用螺旋的形式，且天线臂的末端宽度逐渐变窄，优化了天线的辐射特性；在反射板的上表面采用新型的EBG结构，以达到小型化的目的，同时具有超宽带特性，与工作在相同频段的传统的阿基米德螺旋天线相比高度减小90%以上；反射板上的EBG结构可以实现宽带，用于各类宽带天线单元；新型的巴伦馈电结构适用于超宽带螺旋天线；螺旋天线单元之间采用新型的FSS结构，以减小螺旋天线单元之间的耦合，改善隔离度；新型FSS结构可以针对具体的工作频率进行具体的各个参数的优化（如宽度、长度、距离间隔等），以满足所需的工作频率；此外，所述阵列天线可以采用PCB印制电路板技术实现，结构简单，易于加工。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述阵列天线中螺旋天线单元与反射板的部分剖视结构示意图；
图2是本发明实施例所述阵列天线中反射板的部分俯视结构示意图；
图3是本发明实施例所述阵列天线中馈电巴伦的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例所述阵列天线中频率选择表面FSS单元的俯视结构示意图；
图5是本发明实施例所述阵列天线的俯视结构示意图；
其中：1、天线介质板2、天线单元3、反射板4、天线馈电口5、过孔6、馈电巴伦7、天线臂8、同轴接头9、EBG金属化图形单元10、巴伦介质板11、微带传输线12、镂空孔13、频率选择表面FSS单元14、FSS金属化图形单元15、窄微带条。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种阿基米德螺旋阵列天线，包括天线介质板1，若干个螺旋天线单元2设置于天线介质板1的上表面，所述螺旋天线单元2包括两个呈螺旋状设置的天线臂7，天线臂7的内侧端部相互连接，天线臂7的末端宽度逐渐变窄。反射板3设置于所述天线介质板1的下侧，所述天线介质板1与所述反射板3之间通过所述反射板3的竖直部分进行连接，每个螺旋天线单元2中心的天线介质板1上开设有天线馈电口4，与所述天线馈电口4相对的反射板3上开设有过孔5，馈电巴伦6依次通过天线馈电口4和过孔5后将螺旋天线单元2的天线臂7的中心与同轴接头8电连接；如图2所示，所述反射板3的水平部分的内表面上设置有阵列状排列的EBG金属化图形单元9，每个所述EBG金属化图形单元9包括两个呈F状的金属化图形，且两个F状的金属化图形的开口相对设置。
EBG金属化图形单元是一种周期性结构，可以控制电磁波的传播，通过正确的选择介质的尺寸、材料和形状，可以使电磁波在某些频段不能传播。该新型EBG结构利用电磁带隙结构的阻波特性，将带隙结构蚀刻在反射腔底部，以获得超宽带特性。该EBG结构通过相邻交错排布加强耦合，可以做到波长的20%或者更小，通常该结构的小型化设计都是通过增大等效电容和等效电感来实现。EBG结构可以禁止某些频带内电磁波的传播，从而可以有效的抑制表面波，提高天线的辐射性能，具有EBG结构的反射板可以起到引导电磁波传播的作用，电磁带隙（EBG）中会出现频率窗，引导频率在频率窗范围里的电磁波传播，从而显著地提高天线的增益。通过增大等效电感或者单元级联的方式来实现EBG单元获得宽频带，单元之间紧凑排列也增大了边缘之间的耦合，增大了等效电容，调整各个结构参数可以同时满足小型化和宽频带的要求。
如图3所示，所述馈电巴伦6包括巴伦介质板10，所述巴伦介质板10为高介电常数介质板。所述巴伦介质板10的正面设置有指数渐变线形式的微带传输线11，所述传输线的前后两侧各设置有一行正六边形的镂空孔12，所述传输线一侧的镂空孔12之间的距离相等，且前侧的所述镂空孔12距离所述传输线的前侧边的距离相等，后侧的所述镂空孔12距离所述传输线的后侧边的距离相等。
由于阿基米德螺旋天线是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式，同轴线是传统的超宽带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈电，所以就需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电的转换电路，即巴伦的设计。并且由于螺旋天线的输入阻抗与馈电同轴线的特性阻抗不同，巴伦还要实现输入、输出阻抗的变换。因此，该天线采用巴伦馈电，馈电巴伦的巴伦介质板采用高介电常数介质板，采用了低剖面指数渐变线形式的微带传输线，并在微带传输线的两侧设置镂空的一维光子晶体。
如图5所示，所述螺旋天线单元2呈阵列状布置于所述天线介质板1的上表面，且每个所述螺旋天线2的前、后、左、右侧设置有频率选择表面FSS单元13。如图4所示，所述频率选择表面FSS单元13包括FSS金属化图形单元14，所述FSS金属化图形单元14的主体为正四边形，在每个所述正四边的边上形成有一个向外延伸的正方形，相邻的两个FSS金属化图形单元14之间通过窄微带条15连接，其中窄微带条15的两端分别位于两个相邻的所述FSS金属化图形单元13中正四边形的一个角上。
螺旋天线单元2组阵时，阵列特性常常因为阵列天线单元之间的互耦使得阵列特性发生变化，特别是单元间距较近的时候，耦合作用更是不可忽略，单元间互耦的存在使得阵列的口径分布、输入阻抗、辐射方向图发生改变。本发明的螺旋天线单元之间采用新型FSS结构（频率选择表面FSS单元）以减小阵元之间的耦合，改善隔离度；新型FSS结构可以针对具体的工作频率进行具体的各个参数的优化（如宽度、长度、距离间隔等），以满足所需的工作频率；从附图中单元天线的方向图可以看出，采用新型FSS结构之后单元天线的方向图很规整，受单元之间的互耦影响很小，保持了超宽带阿基米德螺旋天线的良好的辐射特性；
FSS单元为谐振型结构，其等效电感L是由相邻两个FSS金属化图形单元之间的窄微带条形成的，该结构利用其自身的结构复杂性提供电感和电容，来构成并联的LC谐振电路。这种结构不必打孔，因此加工工艺简单。
所述天线单元中天线臂采用螺旋的形式，且天线臂的末端宽度逐渐变窄，优化了天线的辐射特性；在反射板的上表面采用新型的EBG结构，以达到小型化的目的，同时具有超宽带特性，与工作在相同频段的传统的阿基米德螺旋天线相比高度减小90%以上；反射板上的EBG结构可以实现宽带，用于各类宽带天线单元；新型的巴伦馈电结构适用于超宽带螺旋天线；螺旋天线单元之间采用新型的FSS结构，以减小螺旋天线单元之间的耦合，改善隔离度；新型FSS结构可以针对具体的工作频率进行具体的各个参数的优化（如宽度、长度、距离间隔等），以满足所需的工作频率；此外，所述阵列天线可以采用PCB印制电路板技术实现，结构简单，易于加工。

Claims (3)

1.一种阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：包括天线介质板（1），螺旋天线单元（2）设置于天线介质板（1）的上表面，反射板（3）设置于所述天线介质板（1）的下侧，所述天线介质板（1）与所述反射板（3）之间通过所述反射板（3）的竖直部分进行连接，每个螺旋天线单元（2）中心的天线介质板（1）上开设有天线馈电口（4），与所述天线馈电口（4）相对的反射板（3）上开设有过孔（5），馈电巴伦（6）依次通过天线馈电口（4）和过孔（5）后将螺旋天线单元（2）的天线臂（7）的中心与同轴接头（8）电连接；所述反射板（3）的水平部分的内表面上设置有阵列状排列的EBG金属化图形单元（9），每个所述EBG金属化图形单元（9）包括两个呈F状的金属化图形，且两个F状的金属化图形的开口相对设置；
所述螺旋天线单元（2）呈阵列状布置于所述天线介质板（1）的上表面，且每个所述螺旋天线单元（2）的前、后、左、右侧设置有频率选择表面FSS单元（13）；
所述频率选择表面FSS单元（13）包括FSS金属化图形单元（14），所述FSS金属化图形单元（14）的主体为正四边形，在每个所述正四边形的边上形成有一个向外延伸的正方形，相邻的两个FSS金属化图形单元（14）之间通过窄微带条（15）连接，其中窄微带条（15）的两端分别位于两个相邻的所述FSS金属化图形单元（14）中正四边形的一个角上；
所述螺旋天线单元（2）包括两个呈螺旋状设置的天线臂（7），天线臂（7）的内侧端部相互连接，天线臂（7）的末端宽度逐渐变窄。
2.如权利要求1所述的阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述馈电巴伦（6）包括巴伦介质板（10），所述巴伦介质板（10）的正面设置有指数渐变线形式的微带传输线（11），所述微带传输线（11）的前后两侧各设置有一行正六边形的镂空孔（12），所述微带传输线（11）一侧的镂空孔（12）之间的距离相等，且前侧的所述镂空孔（12）距离所述微带传输线（11）的前侧边的距离相等，后侧的所述镂空孔（12）距离所述微带传输线（11）的后侧边的距离相等。
3.如权利要求2所述的阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述巴伦介质板（10）为高介电常数介质板。
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