CN109411879A - 基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线 - Google Patents

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李赛
王诗言
王建朋
胡振欣
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Abstract

本发明公开了一种基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，包括金属地板、SMA连接器和介质螺旋，所述金属地板上设置预留孔，所述SMA连接器穿过金属地板的预留孔，其金属内芯直接与介质螺旋一端相连，所述介质螺旋由陶瓷三维打印加工而成。本发明采用三维打印技术，加工简单，省时省材料；利用具有高介电常数的介质来实现金属螺旋的辐射特性，使该天线在较高的工作频率下，依然具有低损耗的特点。

Description

基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线技术，具体涉及一种基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线。
背景技术
陶瓷螺旋天线加工复杂，随着加工技术的不断发展，而三维打印由于其具有快速成型，节省原材料，且适合加工复杂结构等特点，目前在天线加工领域得到了应用。
目前已经有关于三维打印天线的报道，但是受制于大部分可用材料的低介电常数，打印的介质并不能单独用来辐射，必须附加金属。例如，2017年，Y.Tawk,M.Chahoud,M.Fadous,J.Costantine and C.G.Christodoulou等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation(5043-5051 2017)上发表了“The miniaturization of apartially 3-D printed quadrifilar helix antenna”，文中先用普通树脂材料打印出螺旋的形状，然后在树脂表面电镀涂抹金属得到最终设计的螺旋天线。该设计本质上依然是金属螺旋天线，三维打印只是用来降低加工难度。由于金属的电导率是定值，随着频率的提高，在毫米波太赫兹领域，天线会面临更大的损耗，导致辐射效率降低，这是金属天线在高频应用中无法回避的问题。为此，介质螺旋天线被尝试提出，2017年，Z.Hu,S.Wang,Z.Shenand W.Wu等人在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters(1377-1380 2017)上发表了“Broadband polarization-reconfigurable water spiral antenna of lowprofile”，文中提出：利用高介电常数材料蒸馏水的表面波模式HE11模，使得介质螺旋也可以实现类似金属螺旋天线的性质。但是，水在高频的损耗角正切值很大，天线通常只能应用于2GHz以下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，在高频应用中损耗较低。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，包括金属地板、SMA连接器和介质螺旋，所述金属地板上设置预留孔，所述SMA连接器穿过金属地板的预留孔，其金属内芯直接与介质螺旋一端相连，所述介质螺旋由陶瓷三维打印加工而成。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用三维打印技术，加工简单，省时省材料；2)本发明利用具有高介电常数的介质来实现金属螺旋的辐射特性，使该天线在较高的工作频率下，依然具有低损耗的特点。
附图说明
图1是本发明基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线的立体结构示意图。
图2是本发明介质螺旋的具体结构示意图。
图3是实施例1陶瓷螺旋天线的结构尺寸示意图。
图4是实施例1陶瓷螺旋天线的S11参数仿真图。
图5是实施例1陶瓷螺旋天线的轴比参数仿真图。
图6是实施例1陶瓷螺旋天线在5.6GHz时xoz面上的天线辐射方向图。
图7是实施例1陶瓷螺旋天线在5.6GHz时yoz面上的天线辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，包括金属地板1、SMA连接器2和介质螺旋3，所述金属地板1上设置预留孔，所述SMA连接器2穿过金属地板1的预留孔，其金属内芯直接与介质螺旋3一端相连，所述介质螺旋3由陶瓷三维打印加工而成。
作为一种优选实施方式，所述金属地板1的成分为铝，厚度为2mm。
作为一种优选实施方式，所述介质螺旋3是等圈距的，且圈数为两圈。
作为一种优选实施方式，所述介质螺旋3的成分是氧化锆，其相对介电常数为32，损耗角正切值为0.002。
介质螺旋天线的工作原理为：信号经由SMA连接器馈入介质螺旋，激发出介质圆柱形波导的HE11模。由于HE11模是截止频率为零的表面波模式，介质中的能量会沿着螺旋的方向而慢慢泄露，因而形成圆极化辐射。
相比之前的研究，该天线加工省时简单，无需附加金属，采用具有较高的介电常数、损耗远低于水的材料打印螺旋，即使在高频也能实现低损耗，另外该天线还具有结构简单、增益高、能实现圆极化辐射等优点。
实施例1
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。在电磁仿真软件HFSS.13中进行建模仿真，陶瓷螺旋天线的立体结构如图1所示，侧视图如图2所示。其中金属地板1采用厚度为2mm的铝板，SMA连接器2的内外径分别为1.25mm和4.2mm，介质螺旋使用氧化锆，相对介电常数是32，损耗角正切值为0.002。陶瓷螺旋天线尺寸如图3所示，尺寸参数如下：H1＝4mm，H2＝15mm，D1＝50mm，D2＝5mm，D3＝17.5mm，L1＝16.25mm。
本实例陶瓷螺旋天线的S参数仿真如图4所示，从图中可以看出，该天线具有很宽的阻抗带宽。
本实例陶瓷螺旋天线的轴比参数仿真如图5所示，从图中可以看出，该天线中心频率为5.6GHz，相对轴比带宽为19.4％，具有良好的圆极化特性。
本实例陶瓷螺旋天线在5.6GHz时xoz和yoz面上的天线辐射方向如图6、图7所示，从图中可以看出，该天线辐射右旋圆极化波，且具有较高的圆极化增益10dBic。
综上所述，本发明陶瓷螺旋天线结合了高介电常数材料和三维打印技术，结构简单、加工简单、省时、省材料，能够实现圆极化辐射，并且增益高、损耗低，非常适用于现代无线通信系统。

Claims (4)

1.基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，其特征在于：包括金属地板(1)、SMA连接器(2)和介质螺旋(3)，所述金属地板(1)上设置预留孔，所述SMA连接器(2)穿过金属地板(1)的预留孔，其金属内芯直接与介质螺旋(3)一端相连，所述介质螺旋(3)由陶瓷三维打印加工而成。
2.根据权利要求1所述的基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，其特征在于：所述金属地板(1)的成分为铝，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，其特征在于：所述介质螺旋(3)是等圈距的，且圈数为两圈。
4.根据权利要求1所述的基于三维打印技术的陶瓷螺旋天线，其特征在于：所述介质螺旋(3)的成分是氧化锆，其相对介电常数为32，损耗角正切值为0.002。
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