CN109244660A - 一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其包括天线阵元，每个天线阵元都包括馈电单元和平面螺旋天线，馈电单元连接至平面螺旋天线的中轴，馈电单元与平面螺旋天线同轴线正交，位于馈电单元的任意一侧面上设有巴伦带，位于馈电单元的另一侧面上相对应的沿着巴伦两侧各刻蚀一列光子晶体，巴伦带顶端与平面螺旋天线中心相对，采用新型EBG结构，以达到小型化的目的，新型的巴伦馈电结构适用于超宽带螺旋天线，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。

Description

一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线
技术领域
本发明涉及卫星导航领域中的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线。
技术背景
天线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
本发明的目的是设计针对现有技术中，增益幅度较少，缺乏稳定性的特点，而提供了一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其实现了高平衡对称结构特性。
提供的技术方案为：
提供了一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其包括天线阵元a，每个天线阵元都包括馈电单元1和平面螺旋天线2，馈电单元连接至平面螺旋天线的中轴，馈电单元与平面螺旋天线同轴线正交；
位于馈电单元的任意一侧面上设有巴伦带1b，位于馈电单元的另一侧面上相对应的沿着巴伦两侧各刻蚀一列光子晶体1a，巴伦带顶端与平面螺旋天线中心相对。
进一步的，所述的平面螺旋天线包括天线地板3和阿基米德螺旋天线2a，阿基米德螺旋天线平行浮于天线地板上方，阿基米德螺旋天线与天线地板之间绝缘，所述巴伦带的顶端与阿基米德螺旋天线电性连接。
进一步的，位于天线地板上形成由多个EBG结构依次相邻排布的超宽带面。
进一步的，所述的EBG结构由两个翻转180度的交错的F状阻波部组成。
进一步的，所述的阿基米德螺旋天线与天线地板间隙设置，阿基米德螺旋天线与天线地板之间存在空气层。
进一步的，所述的天线阵元的个数为多个，多个天线阵元等间距平面分布，每个天线阵元与相邻的天线阵元之间都设有一用于减小阵元之间耦合的FSS结构b。
进一步的，所述的FSS结构由四个翻转90度的首尾相对的i状抗耦合部组成。
本发明相对于现有技术而言具有的有益效果在于：
1.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。
2.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。平面阿基米德螺旋天线的馈电部分采用高介电常数介质板，以及一维光子晶体设计了低剖面指数渐变光子晶体巴伦阻抗渐变器，一维光子晶体，采用镂空的方式，镂刻正六边形。
3.采用创新性的结构形式，优化了天线的辐射特性；
在反射腔接地板上采用新型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；
4.地板上的新型结构可以实现宽带，可以用于各类宽带天线单元；
5.新型的巴伦馈电结构适用于超宽带螺旋天线；
6.阿基米德螺旋阵列天线单元之间采用新型FSS结构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；
7.本发明采用PCB印制电路板技术实现，结构简单，易于加工；
8.微带渐变线巴伦实现了同轴线不平衡馈电到螺旋天线的平衡馈电的转换；
9.阿基米德螺旋天线产生正向和背向辐射，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。而使用EBG结构作为天线的地板时，可以将天线贴近到地板的表面，极大地降低天线的高度，实现剖面小型化，不仅节约天线占用空间，还能提高天线的辐射性能。
10.超宽带阿基米德螺旋组阵时，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。本发明的阿基米德螺旋阵列天线单元之间采用新型FSS结构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；
附图说明
图1为新型EBG天线阵元结构图；
图2为光子晶体加载巴伦馈电单元正视结构图；
图3光子晶体加载巴伦馈电单元后视结构图；
图4为新型FSS结构的组成图；
图5为单元天线方向图；
图6为单元天线方向图；
图7是天线单元侧视图；
附图标记说明：
天线阵元a、FSS结构b、馈电单元1、平面螺旋天线2、巴伦带1b、光子晶体1a、阿基米德螺旋天线2a、天线地板3。
具体实施方式
如图3-4所示，一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，包括天线阵元a，所述的天线阵元的个数为多个，多个天线阵元等间距平面分布，每个天线阵元与相邻的天线阵元之间都设有一用于减小阵元之间耦合的FSS结构b，所述的FSS结构由四个翻转90度的首尾相对的i状抗耦合部组成。
如图1-2所示，每个天线阵元都包括馈电单元1和平面螺旋天线2，馈电单元连接至平面螺旋天线的中轴，馈电单元与平面螺旋天线同轴线正交，位于馈电单元的任意一侧面上设有巴伦带1b，巴伦带的两个输出幅度相等，相位相反，位于馈电单元的另一侧面上相对应的沿着巴伦两侧各刻蚀一列光子晶体1a，巴伦带顶端与平面螺旋天线中心相对。
所述的平面螺旋天线包括天线地板3和阿基米德螺旋天线2a，阿基米德螺旋天线平行浮于天线地板上方，阿基米德螺旋天线与天线地板之间绝缘，所述巴伦带的顶端与阿基米德螺旋天线电性连接。
如图1所示，位于天线地板上形成由多个EBG结构依次相邻排布的超宽带面，所述的EBG结构由两个翻转180度的交错的F状阻波部组成。
巴伦带为梯形结构，巴伦带与光子晶体分别位于馈电单元的两侧。
为了防止短路，所述的阿基米德螺旋天线与天线地板间隙设置，阿基米德螺旋天线与天线地板之间存在空气层。
在使用过程中馈电单元的一端接信号输入端，另一端与螺旋臂相连，微波信号通过微带巴伦馈入螺旋天线臂，使得阿基米德螺旋天线产生单向辐射，光子晶体提高馈电单元阻抗，FSS结构以减小阵元之间的耦合，EBG结构在提高辐射性能的同时还可以使得天线单元小型化。

Claims (7)

1.一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：包括天线阵元(a)，每个天线阵元都包括馈电单元(1)和平面螺旋天线(2)，馈电单元连接至平面螺旋天线的中轴，馈电单元与平面螺旋天线同轴线正交；
位于馈电单元的任意一侧面上设有巴伦带(1b)，位于馈电单元的另一侧面上相对应的沿着巴伦两侧各刻蚀一列光子晶体(1a)，巴伦带顶端与平面螺旋天线中心相对。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述的平面螺旋天线包括天线地板(3)和阿基米德螺旋天线(2a)，阿基米德螺旋天线平行浮于天线地板上方，阿基米德螺旋天线与天线地板之间绝缘，所述巴伦带的顶端与阿基米德螺旋天线电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：位于天线地板上形成由多个EBG结构依次相邻排布的超宽带面。
4.根据权利要求3所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述的EBG结构由两个翻转180度的交错的F状阻波部组成。
5.根据权利要求2所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述的阿基米德螺旋天线与天线地板间隙设置，阿基米德螺旋天线与天线地板之间存在空气层。
6.根据权利要求4所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述的天线阵元的个数为多个，多个天线阵元等间距平面分布，每个天线阵元与相邻的天线阵元之间都设有一用于减小阵元之间耦合的FSS结构(b)。
7.根据权利要求6所述的一种超宽带阿基米德螺旋阵列天线，其特征在于：所述的FSS结构由四个翻转90度的首尾相对的i状抗耦合部组成。
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