CN110611162B - 一种星载小型化双频四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载小型化双频四臂螺旋天线，辐射臂和耦合臂为四组同等规格的螺旋臂，贴敷于介质支撑表面，辐射臂的底端与馈电板相连，耦合臂的底端与网络腔体短路连接；调谐机构贴敷于介质盖板表面；耦合枝节将辐射臂与耦合臂进行串联，再将调谐机构进行并联。馈电板一端与辐射臂进行连接，另一端与馈电探针顶部进行连接，将馈电网络的激励信号传输至辐射臂；馈电网络四个输出端口依次与馈电探针连接，对辐射臂进行激励；射频连接器安装于网络盖板底部，并与馈电网络的输入端口进行焊接。整个天线设计新颖、性能优良，具备小型化，双频段辐射特性；同时，天线整体结构具备优良的力、热环境适应性和抗辐照特性，满足宇航环境使用要求。

Description

一种星载小型化双频四臂螺旋天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是双频、圆极化、小型化星载四臂螺旋天线技术领域。

背景技术

现有的四臂螺旋天线多采用自馈相形式实现，如专利“星载S频段测控天线”(申请号：CN201410541759.0)和专利“一种双频段高增益的四臂螺旋天线”(申请号：CN201720112721.0)。这两类天线均采用顶馈形式，通过馈电巴伦实现平衡馈电。由于受限于馈电巴伦高度为0.25λ的尺寸关系，天线带宽受到限制，同时，天线高度尺寸较大，亦导致天线直径尺寸较大，无法实现小型化。

为了满足小型化设计和双频辐射特性，均采用“馈电网络+八臂螺旋”结构形式实现，如专利“一种平衡双频四臂螺旋天线”(申请号：CN201811490695.0)、专利“具有双频宽带功能的四臂螺旋天线”(申请号：CN201621465892.3)以及专利“一种小型化顶部加载双频四臂螺旋天线及其工作方法”(申请号：CN201711127838.7)，均采用四组辐射臂和四组耦合臂的形式，螺旋臂均采用柔性PCB实现形式，缠裹在介质或者空气表面，力学性能较差，尤其在馈电网络与螺旋臂连接处，容易造成焊点断裂和变形，导致天线电气性能失效。同时，天线无调节机构，由于加工和装配存在误差，将导致谐振频点的实际和测试值存在偏差，无法对天线进行后期的调试，不具备工程应用价值。

为了满足上述柔性PCB带来的结构问题，采用将馈电结构和螺旋结构集成在柔性PCB上的设计思路，如专利“一种小型化印刷共形四臂螺旋天线”(申请号：CN201710189914.0)，将一分四馈电网络与螺旋臂共形于柔性PCB上，并缠裹在介质或者空气表面。该种实现方式简单，但馈电网络裸漏，存在辐射损耗，将导致天线辐射效率降低，并且会对方向图造成干扰。

双频四臂螺旋天线采用柔性PCB实现形式，无法适应宇航环境的力、热以及辐照要求，不具备宇航环境使用性能。同时，天线无法进行后期的调试，对加工和装配要求较高。

发明内容

要解决的技术问题

现有四臂螺旋天线无法满足双频带、小型化、可调试的特性，不具备抗宇航环境辐照与力、热等能力。为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种星载小型化双频四臂螺旋天线。

技术方案

一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于包括辐射臂、耦合臂、介质支撑、调谐机构、介质盖板、耦合枝节、馈电板、馈电支撑、馈电探针、馈电网络、网络腔体、网络盖板和射频连接器；所述辐射臂为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射高频段电信号，整条臂贴敷在介质支撑的表面，底端与馈电板进行固定，顶端与耦合枝节进行固定；所述耦合臂为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射低频段信号，整条臂贴敷在介质支撑的表面，底端与网络腔体进行固定，顶端与耦合枝节进行固定；所述介质支撑为柱形结构，辐射臂与耦合臂分别贴敷其表面，介质支撑的底部与网络腔体进行固定；所述调谐机构为金属导带，导带的尾部分别通过耦合枝节与辐射臂、耦合臂进行并联连接，实现对高低频谐振频点的调节；所述介质盖板固定在介质支撑的顶部，作为调谐机构的支撑结构，将调谐机构的金属导带贴敷于介质盖板的下表面；所述耦合枝节用于将辐射臂和耦合臂进行串联连接，包括耦合枝节的开路和短路形式；所述馈电板为金属结构，作为馈电网络和辐射臂的连接结构，一端与辐射臂进行连接，另一端与馈电探针顶部进行连接，将馈电网络的激励信号传输至辐射臂；所述馈电支撑为介质结构，作为馈电板与网络腔体的隔离介质，将其置于馈电板的下层，与馈电板一起安装于网络腔体的上表面；所述馈电探针为垂直安装结构，其底部与馈电网络的四个输出端口焊接，顶部与馈电板连接；所述馈电网络安装在网络腔体内部，为一分四带状线馈电结构或者3dB电桥，四个输出端口具有等幅、相差依次90度的特性，输入端口与射频连接器焊接，输出端口与馈电探针进行焊接；所述网络腔体实现天线的接地功能；所述网络盖板安装于网络腔体底部，将馈电网络封闭于网络腔体内部；所述射频连接器安装于网络盖板底部，并与馈电网络的输入端口进行焊接。

所述的辐射臂的臂长为0.4λ_h～0.6λ_h，直径为0.10λ_h～0.15λ_h，高度为0.20λ_h～0.25λ_h。

所述的耦合臂的臂长为0.4λ_l～0.6λ_l，直径为0.08λ_l～0.12λ_l，高度为0.15λ_l～0.20λ_l。

所述的介质支撑(3)为方形柱或者圆形柱，直径为0.08λ_l～0.12λ_l或者0.10λ_h～0.15λ_h，高度约为0.15λ_l～0.20λ_l或者0.20λ_h～0.25λ_h。

所述的调谐机构(4)为十字结构。

有益效果

本发明提出的一种星载小型化双频四臂螺旋天线，该天线由辐射部分、调谐部分和馈电部分组成。辐射部分包含：介质支撑、辐射臂、耦合臂；调谐部分包括：介质盖板、调谐机构、耦合枝节；馈电部分包括：馈电板、馈电支撑、馈电探针、馈电网络、网络腔体、网络盖板、射频连接器等。其中，辐射臂和耦合臂为四组同等规格的螺旋臂，贴敷于介质支撑表面，辐射臂的底端与馈电板相连，耦合臂的底端与网络腔体短路连接；调谐机构贴敷于介质盖板表面；耦合枝节将辐射臂与耦合臂进行串联，再将调谐机构进行并联。馈电板为金属结构，作为馈电网络和辐射臂的连接结构，一端与辐射臂进行连接，另一端与馈电探针顶部进行连接，将馈电网络的激励信号传输至辐射臂；馈电支撑为介质结构，作为馈电板与网络腔体的隔离介质，将其置于馈电板的下层，与馈电板一起安装于网络腔体上表面；馈电网络为一分四网络，安装于网络腔体内，并通过网络盖板将其封闭于网络腔体内部，具有等幅、相差依次为90度的输出特性；馈电网络四个输出端口依次与馈电探针连接，对辐射臂进行激励；射频连接器安装于网络盖板底部，并与馈电网络的输入端口进行焊接。整个天线设计新颖、性能优良，具备小型化，双频段辐射特性；同时，天线整体结构具备优良的力、热环境适应性和抗辐照特性，满足宇航环境使用要求。

附图说明

图1为本发明的天线整体结构剖视示意图；

图2为本发明的天线整体结构示意图；

图3为本发明的耦合枝节连接示意图；

图4为本发明的耦合枝节开路示意图；

图5为本发明的介质支撑与网络腔体连接示意图；

图6为本发明的馈电板、馈电支撑与馈电探针示意图；

图7为本发明的低频方向图示意图；

图8为本发明的高频方向图示意图；

图9为本发明的驻波示意图；

图10为本发明的仿真图。

1-辐射臂、2-耦合臂、3-介质支撑、4-调谐机构、5-介质盖板、6-耦合枝节、7-馈电板、8-馈电支撑、9-馈电探针、10-馈电网络、11-网络腔体、12-网络盖板、13-射频连接器。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内，外”通常是指相应物体轮廓的内和外。使用的方位词如“上下左右，前后”通常是指相应物体的上下左右和前后。

如图1所示，本发明提供的星载小型化双频四臂螺旋天线，包括：

辐射臂1，所述辐射臂1为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射高频段电信号，整条臂贴敷在介质支撑3的表面，底端与馈电板7采用进行固定，顶端与耦合枝节6进行固定。耦合臂2，所述耦合臂2为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射低频段信号，整条臂贴敷在介质支撑3的表面，底端与网络腔体11进行固定，顶端与耦合枝节6进行固定。介质支撑3，所述介质支撑3为柱形结构，辐射臂1与耦合臂2分别贴敷其表面，起到支撑作用；同时，介质盖板5安装在介质支撑3的顶部，并进行固定；介质支撑3的底部与网络腔体11进行固定。调谐机构4，所述调谐机构4为十字结构(但不仅限于简单的“十”字结构)的金属导带，导带的尾部分别通过耦合枝节6与辐射臂1、耦合臂2进行并联连接，实现对高低频谐振频点的调节。介质盖板5，所述介质盖板5作为调谐机构4的支撑结构，将调谐机构4的金属导带贴敷于介质盖板5的表面，并将介质盖板5安装在介质支撑3的顶部。耦合枝节6，所述耦合枝节6用于将辐射臂1和耦合臂2进行串联连接，包括耦合枝节6的开路和短路形式。馈电板7，所述馈电板7为金属结构，作为馈电网络10和辐射臂1的连接结构，一端与辐射臂1进行连接，另一端与馈电探针9顶部进行连接，将馈电网络10的激励信号传输至辐射臂1。馈电支撑8，所述馈电支撑8为介质结构，作为馈电板7与网络腔体11的隔离介质，将其置于馈电板7的下层，与馈电板7一起安装于网络腔体11的上表面。馈电探针9，所述馈电探针9为垂直安装结构，其底部与馈电网络10的四个输出端口焊接，顶部与馈电板7连接。馈电网络10，所述馈电网络10为一分四带状线馈电结构或者3dB电桥，四个输出端口具有等幅、相差依次90度的特性；输入端口与射频连接器13焊接，输出端口与馈电探针9进行焊接。网络腔体11，所述网络腔体11实现天线的接地功能；同时，将馈电网络10安装在网络腔体11内部。网络盖板12，所述网络盖板12安装于网络腔体11底部，将馈电网络10封闭于网络腔体11内部。射频连接器13，所述射频连接器13安装于网络盖板12底部，并与馈电网络10的输入端口进行焊接。

进一步的，所述辐射臂1为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，其对应辐射高频段电信号，臂长约为0.4λ_h～0.6λ_h，整条臂贴敷在介质支撑3的表面，有效缩减天线物理尺寸，四组螺旋臂直径约为0.10λ_h～0.15λ_h，高度约为0.20λ_h～0.25λ_h；辐射臂1底端与馈电板7进行固定，顶端与耦合枝节6进行固定。

更进一步的，所述耦合臂2为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，其对应辐射低频段电信号，臂长约为0.4λ_l～0.6λ_l，整条臂贴敷在介质支撑3的表面，有效缩减天线物理尺寸，四组螺旋臂直径约为0.08λ_l～0.12λ_l，高度约为0.15λ_l～0.20λ_l；耦合臂2底端与网络腔体11进行固定，顶端与耦合枝节6进行固定。

更进一步的，所述辐射臂1和所述耦合臂2不限于直线结构，也包含折叠或者弯曲结构；所述辐射臂1和所述耦合臂2不限于等螺距、等匝数；所述辐射臂1和所述耦合臂2通过耦合枝节6进行串联，包括耦合枝节6开路或者短路。

更进一步的，所述辐射臂1对应辐射高频段电信号f_h，所述耦合臂2对应辐射低频段电信号f_l，其中满足f_h/f_l＝1.05～2.0。

更进一步的，所述介质支撑3为柱形结构，包括方形柱或者圆形柱，直径约为0.08λ_l～0.12λ_l或者0.10λ_h～0.15λ_h，高度约为0.15λ_l～0.20λl或者0.20λ_h～0.25λ_h，辐射臂1与耦合臂2分别贴敷其表面，起到支撑作用；同时，介质盖板5覆盖在介质支撑3的顶部，并进行固定；介质支撑3的底部与网络腔体11进行固定。

更进一步的，所述调谐机构4为十字形金属导带，但不限于简单的“十”字形，导带贴敷于介质盖板5的表面，尾部分别通过耦合枝节6与辐射臂1、耦合臂2进行并联连接，调整金属导带的长度，实现对高低频谐振频点的调节。

更进一步的，所述介质盖板5为调谐机构4的支撑结构，安装并固定在介质支撑3的顶部。

更进一步的，所述耦合枝节6为金属导带，用于将辐射臂1和耦合臂2进行串联连接，将调谐机构4和辐射臂1、耦合臂2进行并联连接。

更进一步的，所述耦合枝节6用于将辐射臂1和耦合臂2进行串联连接，包括耦合枝节6的开路和短路形式。

更进一步的，所述馈电板7为金属结构，作为馈电网络10和辐射臂1的连接结构，一端与辐射臂1进行连接，另一端与馈电探针9顶部进行连接，将馈电网络10的激励信号传输至辐射臂1。

更进一步的，所述馈电支撑8为介质结构，作为馈电板7与网络腔体11的隔离介质，将其置于馈电板7的下层，与馈电板7一起安装于网络腔体11的上表面。

更进一步的，所述馈电探针9为垂直安装结构，其底部与馈电网络10的四个输出端口焊接，顶部与馈电板7连接。

更进一步的，所述馈电网络10为一分四带状线馈电结构或者3dB电桥，四个输出端口具有等幅、相差依次90度的特性；输入端口与射频连接器13焊接，输出端口与馈电探针9进行焊接。

更进一步的，所述网络腔体11实现天线的接地功能；同时，将馈电网络10安装在网络腔体11内部。

更进一步的，所述网络盖板12安装于网络腔体11底部，将馈电网络10封闭于网络腔体(11)内部。

更进一步的，所述射频连接器13安装于网络盖板12底部，其内导体与馈电网络10的输入端口进行焊接。

更进一步的，所述介质支撑3和网络腔体11作为天线主体结构，在网络腔体11上表面留有安装凸耳将介质支撑3进行固定。

本实施例中通过辐射臂1和耦合臂2的形式，实现四臂螺旋天线的双频工作模式。

优选地，增加了耦合枝节6，提高了耦合臂2的辐射能力；

更优选的，增加了调谐机构4，具备对高低谐振频率的可调性；

更优选的，采用了带状线宽带功分器的馈电方式，实现对四组辐射臂的宽带馈电能力；

更优选的，采用了馈电板7、馈电支撑8和馈电探针9的互联方式，具备良好的力学性能；

更优选的，馈电网络10安装于网络腔体11内部，并用网络盖板12密封，满足宇航力、热和抗辐照要求；

更优选的，介质支撑3和介质盖板5采用耐高温，抗辐照的特种介质材料，使天线可以满足宇航力、热和抗辐照要求。

如图2所示，为天线整体结构示意图，四组辐射臂1和四组耦合臂2贴敷于介质支撑3表面，调谐机构4贴敷于介质盖板5表面。

如图3所示，为天线耦合枝节6示意图，用于将辐射臂1和耦合臂2进行串联连接，将调谐机构4和辐射臂1、耦合臂2进行并联连接。

如图4所示，为天线耦合枝节6开路示意图，同样可以满足将辐射臂1和耦合臂2进行串联连接，将调谐机构4和辐射臂1、耦合臂2进行并联连接。

如图5所示，为介质支撑3与网络腔体11连接示意图，在网络腔体11的上表面留有凸耳，将介质支撑和凸耳进行固定。

如图6所示，为馈电板7、馈电支撑8与馈电探针9示意图，将馈电板7和馈电支撑8从上到下依次安装在网络腔体11上表面；馈电探针9从上到下依次穿过馈电板7、馈电支撑8，顶部与馈电板7相连接，底部与馈电网络10焊接。

如图7所示，为天线在典型频点(低频)处的辐射方向图，法向增益5.0dB，±60度增益0.6dB。

如图8所示，为天线在典型频点(高频)处的辐射方向图，法向增益5.5dB，±60度增益1.2dB。

如图9所示，为天线在典型频段的驻波比示意图，驻波比＜1.5的相对带宽达到40％。

本发明的工作原理如下：网络腔体11作为天线的金属地，射频信号通过馈电网络10产生四路等幅、相差依次为90°的电信号，并由馈电板7和馈电探针9对辐射臂1进行馈电，同时，辐射臂1对耦合臂2进行耦合馈电，激励起对应频段电流，从而辐射出电磁波。本发明的天线接收电磁波的过程与上述辐射电磁波的过程相反。

通过上述技术方案，本发明天线具备小型化，双频段辐射特性；同时，天线整体结构具备优良的力、热环境适应性和抗辐照特性，满足宇航环境使用要求。

Claims (5)

1.一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于包括辐射臂(1)、耦合臂(2)、介质支撑(3)、调谐机构(4)、介质盖板(5)、耦合枝节(6)、馈电板(7)、馈电支撑(8)、馈电探针(9)、馈电网络(10)、网络腔体(11)、网络盖板(12)和射频连接器(13)；所述辐射臂(1)为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射高频段电信号，整条螺旋臂贴敷在介质支撑(3)的表面，底端与馈电板(7)进行固定，顶端与耦合枝节(6)进行固定；所述耦合臂(2)为四组等螺距、等匝数的螺旋臂，对应辐射低频段信号，整条螺旋臂贴敷在介质支撑(3)的表面，底端与网络腔体(11)进行固定，顶端与耦合枝节(6)进行固定；所述介质支撑(3)为柱形结构，辐射臂(1)与耦合臂(2)分别贴敷其表面，介质支撑(3)的底部与网络腔体(11)进行固定；所述调谐机构(4)为金属导带，导带的尾部分别通过耦合枝节(6)与辐射臂(1)、耦合臂(2)进行并联连接，实现对高低频谐振频点的调节；所述介质盖板(5)固定在介质支撑(3)的顶部，作为调谐机构(4)的支撑结构，将调谐机构(4)的金属导带贴敷于介质盖板(5)的下表面；所述耦合枝节(6)用于将辐射臂(1)和耦合臂(2)进行串联连接，包括耦合枝节(6)的开路和短路形式；所述馈电板(7)为金属结构，作为馈电网络(10)和辐射臂(1)的连接结构，一端与辐射臂(1)进行连接，另一端与馈电探针(9)顶部进行连接，将馈电网络(10)的激励信号传输至辐射臂(1)；所述馈电支撑(8)为介质结构，作为馈电板(7)与网络腔体(11)的隔离介质，将其置于馈电板(7)的下层，与馈电板(7)一起安装于网络腔体(11)的上表面；所述馈电探针(9)为垂直安装结构，其底部与馈电网络(10)的四个输出端口焊接，顶部与馈电板(7)连接；所述馈电网络(10)安装在网络腔体(11)内部，为一分四带状线馈电结构，四个输出端口具有等幅、相差依次90度的特性，输入端口与射频连接器(13)焊接，输出端口与馈电探针(9)进行焊接；所述网络腔体(11)实现天线的接地功能；所述网络盖板(12)安装于网络腔体(11)底部，将馈电网络(10)封闭于网络腔体(11)内部；所述射频连接器(13)安装于网络盖板(12)底部，并与馈电网络(10)的输入端口进行焊接。

2.根据权利要求1所述的一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于所述的辐射臂(1)的臂长为0.4λ_h～0.6λ_h，直径为0.10λ_h～0.15λ_h，高度为0.20λ_h～0.25λ_h，其中，λ_h为高频的波长。

3.根据权利要求1所述的一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于所述的耦合臂(2)的臂长为0.4λ_l～0.6λ_l，直径为0.08λ_l～0.12λ_l，高度为0.15λ_l～0.20λ_l，其中，λ_l为低频的波长。

4.根据权利要求1所述的一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于所述的介质支撑(3)为方形柱或者圆形柱，直径为0.08λ_l～0.12λ_l或者0.10λ_h～0.15λ_h，高度为0.15λ_l～0.20λ_l或者0.20λ_h～0.25λ_h，其中，λ_l为低频的波长，λ_h为高频的波长。

5.根据权利要求1所述的一种星载小型化双频四臂螺旋天线，其特征在于所述的调谐机构(4)为十字结构。

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