CN110401027A - 一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法，复合天线包括：空心圆柱体介质基板；分别设置于空心圆柱体介质基板上表面和下表面第一阿基米德平面螺旋天线和第二阿基米德平面螺旋天线；设置于所述空心圆柱体介质基板侧表面立体螺旋天线；设置于所述第一阿基米德平面螺旋天线中心用于为天线提供激励信号的馈电端口；设置于第二阿基米德平面螺旋天线中心用于所述复合天线进行阻抗匹配的电阻。本发明通过将两个阿基米德平面螺旋天线和一个立体螺旋天线进行组合，在不增大阿基米德平面螺旋天线半径情况下，使工作频带向低频方向延伸并且拓宽了轴比带宽，工作频段内具有平缓的阻抗值和圆极化性能，有效提升了阿基米德平面螺旋天线的增益。

Description

一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及的是一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法。

背景技术

阿基米德平面螺旋天线，作为超宽带天线的一种形式，具有尺寸小，重量较轻，属于低剖面天线，且具有双向辐射的特性，在其平面的两侧辐射旋向相反的圆极化波，通常情况下天线宽频带内阻抗特性的优化可通过互补结构实现，而互补结构可以通过改变相邻的螺旋臂间距和螺旋臂宽来实现。由于互补结构可实现更宽的阻抗匹配，进而得到更加优良性能的天线，使螺旋天线在很宽的频带内具有非常好的阻抗、方向图以及圆极化特性，从而实现宽频天线的设计。

如图1所示，为现有技术中的阿基米德平面螺旋天线，由圈数为2圈旋向为左旋的天线臂1、天线臂2和馈电端口1组成；由图2可以知道普通的阿基米德平面螺旋天线的轴比带宽（小于3 dB）从5.95 GHz到17.69 GHz (2.97:1)，由图3可知随频率增加增益在增大；如图4所示，阿基米德平面螺旋天线阻抗实部的阻值远远大于阿基米德平面螺旋天线阻抗虚部。

近年来，阿基米德平面螺旋天线受到越来越多的关注，各种形式的结构、改良天线见诸文献。有学者提出通过在天线后向辐射区域一侧加装反射板或填充合适微波吸收材料的背腔，以获得更好增益和轴比带宽，这样做虽然能实现天线单向辐射且整体保持良好的宽带和圆极化特性，但导致天线重量较大，且不具有低剖面的特性。

因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法，通过将两个阿基米德平面螺旋天线和一个立体螺旋天线进行组合，与普通的阿基米德平面螺旋天线比较，可以在不增大阿基米德平面螺旋天线半径情况下，使工作频带向低频方向延伸并且拓宽了轴比带宽，工作频段内具有平缓的阻抗值和圆极化性能，有效提升了阿基米德平面螺旋天线的增益。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于电阻加载的复合天线，其中，所述基于电阻加载的复合天线包括：

用于供天线搭载和印刷的空心圆柱体介质基板；

设置于所述空心圆柱体介质基板上表面用于双向辐射的第一阿基米德平面螺旋天线；

设置于所述空心圆柱体介质基板下表面用于双向辐射的第二阿基米德平面螺旋天线；

设置于所述空心圆柱体介质基板侧表面用于定向辐射的立体螺旋天线；

设置于所述第一阿基米德平面螺旋天线中心用于为天线提供激励信号的馈电端口；

设置于所述第二阿基米德平面螺旋天线中心用于所述复合天线进行阻抗匹配的电阻。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述第一阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为左旋的第一天线臂和第二天线臂组成。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述第二阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第三天线臂和第四天线臂组成。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述立体螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第五螺旋臂和第六螺旋臂组成。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述第五螺旋臂的一端与所述第二天线臂的一端连接，所述第五螺旋臂的另一端与所述第四天线臂的一端连接；

所述第六螺旋臂的一端与所述第一天线臂的一端连接，所述第六螺旋臂的另一端与所述第三天线臂的一端连接。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述空心圆柱体介质基板包括未来8000树脂。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述空心圆柱体介质基板的电介质常数约为2.89，损耗正切角为0.02，侧壁和上下面厚度为1 mm。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述电阻的大小与所述复合天线的阻抗相同。

所述基于电阻加载的复合天线，其中，所述电阻的大小为168欧姆。

一种基于所述的基于电阻加载的复合天线的电流控制方法，其中，所述基于电阻加载的复合天线的电流控制方法包括以下步骤：

电流从所述馈电端口发出，在所述第一阿基米德平面螺旋天线上由内向外流到所述立体螺旋天线；

所述电流经过所述立体螺旋天线流入所述第二阿基米德平面螺旋天线；

所述电流在所述第二阿基米德平面螺旋天线上由外往里流动，实现所述复合天线辐射左旋圆极化波。

有益效果：本发明通过将两个阿基米德平面螺旋天线和一个立体螺旋天线进行组合，与普通的阿基米德平面螺旋天线比较，可以在不增大阿基米德平面螺旋天线半径情况下，使工作频带向低频方向延伸并且拓宽了轴比带宽，工作频段内具有平缓的阻抗值和圆极化性能，有效提升了阿基米德平面螺旋天线的增益。

附图说明

图1是现有技术中的阿基米德平面螺旋天线结构示意图。

图2为现有技术中的阿基米德平面螺旋天线的轴比带宽图。

图3为现有技术中的阿基米德平面螺旋天线的增益图。

图4为现有技术中的阿基米德平面螺旋天线的阻抗图。

图5是本发明基于电阻加载的复合天线的较佳实施例的结构示意图。

图6是本发明复合天线的具体结构示意图。

图7为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线的轴比带宽曲线对比图。

图8为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线的增益曲线对比图。

图9为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线的阻抗曲线对比图。

图10为本发明实施例2的使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线在频率为3 GHz的方向图。

图11为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线在频率为4GHz的方向图。

图12为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线在频率为6 GHz的对比方向图。

图13为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线在频率为9 GHz的对比方向图。

图14为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线在频率为12 GHz的对比方向图。

图15为本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线在频率为14 GHz的对比方向图。

图16是本发明基于电阻加载的复合天线的电流控制方法的较佳实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图5和图6，本发明实施例提供的一种基于电阻加载的复合天线，所述基于电阻加载的复合天线包括：

用于供天线搭载和印刷的空心圆柱体介质基板10；设置于所述空心圆柱体介质基板10上表面用于双向辐射的第一阿基米德平面螺旋天线；设置于所述空心圆柱体介质基板10下表面用于双向辐射的第二阿基米德平面螺旋天线（所述第一阿基米德平面螺旋天线和所述第二阿基米德平面螺旋天线的旋向相反）；设置于所述空心圆柱体介质基板10侧表面用于定向辐射的立体螺旋天线；设置于所述第一阿基米德平面螺旋天线中心用于为天线提供激励信号的馈电端口23；设置于所述第二阿基米德平面螺旋天线中心用于所述复合天线进行阻抗匹配的电阻33。

具体地，所述第一阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为左旋的第一天线臂21和第二天线臂22组成；所述第二阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第三天线臂31和第四天线臂32组成；所述立体螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第五螺旋臂41和第六螺旋臂42组成。

进一步地，所述第五螺旋臂41的一端与所述第二天线臂22的一端连接，所述第五螺旋臂41的另一端与所述第四天线臂32的一端连接；所述第六螺旋臂42的一端与所述第一天线臂21的一端连接，所述第六螺旋臂42的另一端与所述第三天线臂31的一端连接。

进一步地，所述空心圆柱体介质基板10是一种搭载天线的媒介，使得天线有地方印刷，所述空心圆柱体介质基板10包括未来8000树脂，所述未来8000树脂是一种由树脂制作成的电介质常数约为2.89，损耗正切角为0.02，厚度为1 mm的材料，具有成本低，容易加工，表面光洁度较好，可以用于3D打印的特点，且该材料价格便宜，易于大规模使用，这也是本发明优先选用的原因，当然，天线设计过程中并没有规定要使用固定的材料，是由设计者决定的，但是每种材料介电常数和损耗是不一样的，对天线的性能影响也不一样，包括谐振点，带宽等，其他可用的材料如常见的FR-4，罗杰斯系列板材等。

进一步地，所述电阻33的大小与所述复合天线的阻抗相同，所述电阻33的大小优选为168欧姆；且所述电阻位于第二阿基米德平面螺旋天线的中心，可以使复合天线获得较好的阻抗匹配，从而改善阿基米德平面螺旋天线匹配，以获得更好的轴比和方向图，所述电阻33的选择是为了让天线能够获得更好的阻抗匹配，先仿真出天线电阻大约为180欧姆，由天线的阻抗匹配的原则，匹配电阻的大小大致与天线电阻大小相当，最后通过仿真软件对电阻进行优化分析，得到电阻为168欧姆时该复合天线有最好的阻抗匹配，没有这个匹配电阻，轴比会恶化。

本发明利用立体螺旋天线在信号频率为低频时定向辐射和阿基米德平面螺旋天线在信号为高频时双向辐射的特点，使所述复合天线（复合式螺旋天线）在信号为低频时定向辐射，在低频时定向辐射也有显著的增益提高的效果；在高频时双向辐射获得更好的圆极化性能和更高增益，所述复合天线具有结构简单、工作带宽较宽、加工方便等优点。

进一步地，所述馈电端口23在天线中是指为天线供给激励信号；所述馈电端口23设置在所述第一阿基米德平面螺旋天线的中心是为了让所述第一阿基米德平面螺旋天线的两个天线臂（第一天线臂21和第二天线臂22）同时获得行波电流，从而使所述第一阿基米德平面螺旋天线正常工作并具有信号双向辐射的特点（两个螺旋臂相位差为180°）。

如图7可知，使用所述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线的带宽（小于3dB）在2.65 GHz到15.28 GHz（5.77：1）。由图8中的使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线的信号增益曲线可知随频率增加信号增益在增大。

对比普通的阿基米德平面螺旋天线，使用所述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线具有使信号在低频时定向辐射，在高频时双向辐射的优点。普通的阿基米德平面螺旋天线带宽(小于3 dB)在5.95 GHz到17.69 GHz (2.97:1)，使用所述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线的带宽(小于3 dB)在2.65 GHz到15.28 GHz（5.77：1），即在不增大平面螺旋天线半径情况下，使频率向低频方向延伸而且极大的拓宽轴比带宽。

如图8所示，对比普通的阿基米德平面螺旋天线在5.95 GHz到17.69 GHz的范围内即使用上述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线增益更大，即使用上述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线在整体上获得了更好的圆极化带宽。

如图9所示，图9是本发明使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线与阿基米德平面螺旋天线的阻抗曲线对比图，复合式天线阻抗实部的阻值大于平面螺旋天线阻抗实部，复合式天线阻抗虚部的阻值大于平面螺旋天线阻抗虚部；阻值对比的特点主要是平坦度，越平滑说明工作带宽越大。

如图10、11、12所示，为该使用所述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线分别在3 GHz、4 GHz、6 GHz的方向图，可以得出在低频时定向辐射，如图13、14、15所示，为该使用所述电阻33加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线分别在9 GHz、12 GHz、14 GHz的方向图，可以得出在高频时为双向辐射，即该使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线具有在低频时定向辐射，高频时双向辐射的特点。

图12-15列举了“阿基米德平面螺旋天线”和本发明中的“复合天线”的方向图对比；其中图12、13、14、15所示虚线为阿基米德平面螺旋天线在信号为6 GHz、9 GHz、12 GHz、14 GHz的方向图，说明普通的阿基米德平面螺旋天线为双向辐射。图10、11、12所示实线为该使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线分别在3 GHz、4 GHz、6 GHz的方向图，表明该天线在低频时定向辐射。图13、14、15所示实线为该使用电阻加载的平面螺旋和立体螺旋复合天线分别在9 GHz、12 GHz、14 GHz的方向图，表明该天线高频时为双向辐射。通过实线和虚线的对比，主要是为了突出本发明低频定向辐射的特点。

基于上述实施例提供的基于电阻加载的复合天线，本发明还提供一种基于电阻加载的复合天线的电流控制方法（即本发明中所述复合天线的电流路径），请参阅图16，图16是本发明基于电阻加载的复合天线方法的较佳实施例的流程图。

所述基于电阻加载的复合天线的电流控制方法包括以下步骤：

步骤100，电流从所述馈电端口发出，在所述第一阿基米德平面螺旋天线上由内向外流到所述立体螺旋天线；

步骤200，所述电流经过所述立体螺旋天线流入所述第二阿基米德平面螺旋天线；

步骤300，所述电流在所述第二阿基米德平面螺旋天线上由外往里流动，实现所述复合天线辐射左旋圆极化波。

本发明描述了所述复合天线的电流路径电流控制方法，所述第一阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为左旋的第一天线臂和第二天线臂组成，所述第二阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第三天线臂和第四天线臂组成，电流的流向是从所述馈电端口出发在所述第一阿基米德平面螺旋天线由内向外流到所述立体螺旋天线，再经过所述立体螺旋天线流入所述第二阿基米德平面螺旋天线，在所述第二阿基米德平面螺旋天线由外往里流动，最终实现了所述复合天线辐射左旋圆极化波，利用所述复合天线的电流流向特点，可以在不增大阿基米德平面螺旋天线半径情况下，使频率向低频方向延伸，从而拓宽轴比带宽。

同时，所述复合天线是一种小型超宽频带天线，不仅具有超宽频带、高增益等技术指标，还具有较好的圆极化性能和方向图，在现代系统电子装备中，宽带无线接入、电子对抗、探地雷达和电磁兼容测量等系统对小型超宽频带天线的需要都是非常迫切的。

综上所述，本发明提供了一种基于电阻加载的复合天线及电流控制方法，所述复合天线包括：用于供天线搭载和印刷的空心圆柱体介质基板；设置于所述空心圆柱体介质基板上表面用于双向辐射的第一阿基米德平面螺旋天线；设置于所述空心圆柱体介质基板下表面用于双向辐射的第二阿基米德平面螺旋天线；设置于所述空心圆柱体介质基板侧表面用于定向辐射的立体螺旋天线；设置于所述第一阿基米德平面螺旋天线中心用于为天线提供激励信号的馈电端口；设置于所述第二阿基米德平面螺旋天线中心用于所述复合天线进行阻抗匹配的电阻。本发明通过将两个阿基米德平面螺旋天线和一个立体螺旋天线进行组合，与普通的阿基米德平面螺旋天线比较，可以在不增大阿基米德平面螺旋天线半径情况下，使工作频带向低频方向延伸并且拓宽了轴比带宽，工作频段内具有平缓的阻抗值和圆极化性能，有效提升了阿基米德平面螺旋天线的增益。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述基于电阻加载的复合天线包括：

用于供天线搭载和印刷的空心圆柱体介质基板；

设置于所述空心圆柱体介质基板上表面用于双向辐射的第一阿基米德平面螺旋天线；

设置于所述空心圆柱体介质基板下表面用于双向辐射的第二阿基米德平面螺旋天线；

设置于所述空心圆柱体介质基板侧表面用于定向辐射的立体螺旋天线；

设置于所述第一阿基米德平面螺旋天线中心用于为天线提供激励信号的馈电端口；

设置于所述第二阿基米德平面螺旋天线中心用于所述复合天线进行阻抗匹配的电阻。

2.根据权利要求1所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述第一阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为左旋的第一天线臂和第二天线臂组成。

3.根据权利要求2所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述第二阿基米德平面螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第三天线臂和第四天线臂组成。

4.根据权利要求3所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述立体螺旋天线由2个圈数为2圈、旋向为右旋的第五螺旋臂和第六螺旋臂组成。

5.根据权利要求4所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述第五螺旋臂的一端与所述第二天线臂的一端连接，所述第五螺旋臂的另一端与所述第四天线臂的一端连接；

所述第六螺旋臂的一端与所述第一天线臂的一端连接，所述第六螺旋臂的另一端与所述第三天线臂的一端连接。

6.根据权利要求1所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述空心圆柱体介质基板包括未来8000树脂。

7.根据权利要求6所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述空心圆柱体介质基板的电介质常数约为2.89，损耗正切角为0.02，侧壁和上下面厚度为1mm。

8.根据权利要求1所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述电阻的大小与所述复合天线的阻抗相同。

9.根据权利要求8所述的基于电阻加载的复合天线，其特征在于，所述电阻的大小为168欧姆。

10.一种基于权利要求1所述的基于电阻加载的复合天线的电流控制方法，其特征在于，所述基于电阻加载的复合天线的电流控制方法包括以下步骤：

电流从所述馈电端口发出，在所述第一阿基米德平面螺旋天线上由内向外流到所述立体螺旋天线；

所述电流经过所述立体螺旋天线流入所述第二阿基米德平面螺旋天线；

所述电流在所述第二阿基米德平面螺旋天线上由外往里流动，实现所述复合天线辐射左旋圆极化波。