CN111430887A - 一种小型化双频全向螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹载小型化螺旋天线，主要由陶瓷介质棒、螺旋主臂、接地枝节、寄生螺旋臂和地板组成，陶瓷介质棒采用高介电常数的陶瓷材料；螺旋主臂、接地枝节和寄生螺旋臂设置于陶瓷介质棒外端，螺旋主臂通过同轴探针在螺旋臂底端馈电；接地枝节一端与地板电连接，一端连接至螺旋主臂；寄生螺旋臂与地板无直接电连接，并通过能量耦合的方式引入新的谐振点，实现双频工作特性。本发明提供了一种实现全向螺旋天线双频段工作的设计方法，解决了现有双频段全向螺旋天线尺寸过大、高低频率比无法单独调节的问题，具有结构简单，易于加工和装配的优点。

Description

一种小型化双频全向螺旋天线

技术领域

本发明属于螺旋天线领域，特别是一种小型化双频全向螺旋天线。

背景技术

卫星接收天线被广泛应用于精确打击武器之中，通过接收全球卫星定位系统的定位数据并调整弹道轨迹，实现对目标的精确打击。弹载导航天线通常具有体积小、重量轻、波束宽的特点，常见的有四臂螺旋天线和微带天线。此类天线具有较宽的波束和较小的尺寸，但其低仰角增益下降较快，当弹丸飞行姿态倾角较大时，定位效果较差。

法向模螺旋天结构简单，其电磁波沿螺旋轴线传播速度相比于垂直偶极天线小，故其谐振长度可以缩短，从而可使天线的垂直高度大大降低。法向模螺旋天线具有水平全向的辐射方向图，当与弹体共轴线时，其最大辐射方向指向弹体侧面，在弹体侧面具有很宽的波束宽度，满足弹丸不同飞行姿态下的波束覆盖需求。

为了补偿由于电离层损耗造成的延时，提高定位精度，通常要求导航天线具有双频或者多频的特性。因此，如何提高一种能够实现小型化双频段的弹载环境的螺旋天线是本领域人员目前需要解决的问题。

文献1(Egorov I,Ying Z.A non-uniform helical antenna for dual-bandcellular phones[C].Antennas&Propagation Society International Symposium.IEEE,2002.) 中提出了一种非均匀的双频螺旋天线，通过在改变螺旋天线的螺距，实现双频特性。但是，其高低频的频率比值较大，无法应用与频比较小的场合，且变螺距螺旋天线对于加工精度的要求较高。

文献2(杨鹤鸣.双频段螺旋天线和实现双频段工作的方法:,2015.)提出了一种嵌套结构的双频螺旋天线和双频段工作实现方法，其具体实现为直径的的螺旋天线上部分套在直径较小的螺旋天线下部分，通过调整螺旋臂长和嵌套部分的多少，实现天线工作频段和驻波比的调节；该方法虽然能够方便调整天线工作频段，但是其垂直尺寸较大，其本质是两个螺旋天线在垂直方向部分嵌套的组合形式，不适用于弹载应用中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化双频全向螺旋天线。

实现本发明目的的技术方案为：一种小型化双频全向螺旋天线，包括陶瓷介质棒、螺旋主臂、接地枝节、寄生螺旋臂和地板；所述陶瓷介质棒置于地板上方圆心处，螺旋主臂、接地枝节和寄生螺旋臂设置在陶瓷介质棒外端，所述的螺旋主臂和寄生螺旋臂具有相同的螺距和旋向，接地枝节一端与地板电连接，另一端连接至螺旋主臂。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明通过采用高介电常数的陶瓷介质棒，可以缩减螺旋天线的体积，本发明的天线高度仅为0.085λ，λ为较低频段对应频率的波长；(2)调整接地枝节的位置参数，可以实现较低频段天线的阻抗匹配；(3)相比于传统的螺旋天线双频实现方法，本发明采用寄生螺旋臂加载的方法，较高和较低工作频段的频点调节相对独立，设计和调节方便；(4) 采用在陶瓷表面覆铜的工艺，加工简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明一种小型化双频全向螺旋天线结构图。

图2(a)为本发明一种小型化双频全向螺旋天线的尺寸示意图，图2(b) 为天线主视图，图2(c)为天线俯视图。

图3为本发明一种小型化双频全向螺旋天线仿真的S参数图。

图4为本发明一种小型化双频全向螺旋天线仿真的频率-增益曲线图。

图5为本发明一种小型化双频全向螺旋天线在较低频段中心频率1.268GHz 的处归一化辐射方向图。

图6为本发明一种小型化双频全向螺旋天线在较高频段中心频率1.575GHz 处的归一化辐射方向图。

具体实施方式

结合图1，一种小型化双频全向螺旋天线，包括陶瓷介质棒1、螺旋主臂2、接地枝节3、寄生螺旋臂4和地板5；其中陶瓷介质棒1采用介电常数较高的陶瓷粉末压制成型；螺旋主臂2、接地枝节3和寄生螺旋臂4位于陶瓷介质棒1外端；接地枝节3分为3段；螺旋主臂2、接地枝节3的中间段3-2和寄生螺旋臂 4具有相同的螺距和旋向(同为左旋或右旋)；螺旋主臂2和寄生螺旋臂4分别对应较高和较低两个工作频点，调节螺旋主臂和寄生螺旋臂的长度可以单独的调节较高或较低的工作频段；地板5为圆形金属结构，陶瓷介质棒1置于地板5 上方圆心处。

螺旋主臂2与地板5无直接电连接，螺旋主臂2底端通过同轴探针馈电。

接地枝节3包括接地段3-1、中间段3-2和延伸段3-3。接地段3-1相对于螺旋主臂2顺时针旋转一定方位角度β₁且地板5电连接，中间段3-2螺旋上升一定高度H₂，延伸段3-3为中间段垂直向上延伸至于螺旋主臂2相连。

寄生螺旋臂4与螺旋主臂2、地板5之间无电连接，寄生螺旋臂4底端距离地板5一定高度g，寄生螺旋臂4相对于螺旋主臂2逆时针旋转一定方位角度β₂。

作为一种优选方案，所述陶瓷介质棒1材质为TP-2陶瓷，其介电常数为6.15，介质损耗角为0.0019。

所述螺旋主臂2的直径与工作频率对应波长的比值小于0.18，使得螺旋天线工作模式为法向模，具有全向辐射特性。

本发明的工作原理为：通过采用高介电常数的陶瓷介质棒1，减小等效波长；进一步的，减小螺旋螺距，在高度不变的情况下增加螺旋圈数而延长螺旋臂长，降低天线的工作频点实现小型化。引入接地枝节3，通过调整接地枝节3的参数β₁和H₂实现天线端口阻抗匹配。螺旋主臂2和寄生螺旋臂4分别对应于较低和较高的工作频段，分别调节螺旋主臂2和寄生螺旋臂4的高度可以独立的调节较低和较高工作频段的中心频点。

螺旋主臂和寄生螺旋臂分别对应较高和较低两个工作频点，调节螺旋主臂和寄生螺旋臂的长度可以单独的调节较高或较低的工作频段；所述的地板为圆形金属结构，所述的陶瓷介质棒置于地板上方圆心处。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

结合图1、图2(a)～图2(c)，设计一个小型化双频螺旋天线：工作频段范围为1257MHz～1279MHz和1572MHz～1579MHz频段，覆盖北斗B3和GPS L1 频段；在该频段内|S₁₁|<-10dB。小型化双频全向螺旋天线包括陶瓷介质棒、螺旋主臂、接地枝节、寄生螺旋臂和地板。陶瓷介质棒材质选用陶瓷粉末TP-2压制成棒材，尺寸为

高度为H＝21mm；螺旋主臂的高度H₁＝19.5mm；寄生螺旋臂的高度H₃＝20mm；接地枝节中间段的高度H₂＝1.2mm；接地枝节的接地段相对于馈电点位置顺时针旋转的方位角β₁＝30deg，寄生螺旋臂相对于馈电点逆时针旋转的方位角β₂＝75deg。

小型化全向螺旋天线使用ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS完成仿真工作。图3为仿真的S参数，图4为仿真频率增益曲线，图5为较低频段中心频点1.268GHz处的辐射方向图，图6为较高频段1.575GHz处的辐射方向图。在阻抗带宽1257MHz～1279MHz和1572MHz～1579MHz频段内，|S₁₁|均小于-10dB；相对于较低工作频段而言，天线高度仅为0.085λ，小型化效果显著；天线在 1.268GHz和1.575GHz处的增益分别为1.62dBi和2.03dBi，且在B3频段内(1258.52MHz～1278.52MHz)内增益大于-0.5dBi；天线在1.268GHz和1.575GHz 处均具有水平全向辐射特性，满足波束覆盖需求。

Claims (5)

1.一种小型化双频全向螺旋天线，其特征在于，包括陶瓷介质棒(1)、螺旋主臂(2)、接地枝节(3)、寄生螺旋臂(4)和地板(5)；所述陶瓷介质棒(1)置于地板(5)上方圆心处，螺旋主臂(2)、接地枝节(3)和寄生螺旋臂(4)设置在陶瓷介质棒(1)外端，所述的螺旋主臂(2)和寄生螺旋臂(4)具有相同的螺距和旋向，接地枝节(3)一端与地板(5)电连接，另一端连接至螺旋主臂(2)。

2.根据权利要求1所述的小型化双频全向螺旋天线，其特征在于，所述接地枝节(3)包括接地段(3-1)、中间段(3-2)和延伸段(3-3)，螺旋主臂(2)、接地枝节(3)的中间段(3-2)和寄生螺旋臂(4)具有相同的螺距和旋向，接地段(3-1)与地板(5)连接，延伸段(3-3)与螺旋主臂(2)连接。

3.根据权利要求1或2所述的小型化双频全向螺旋天线，其特征在于，所述螺旋主臂(2)的直径与工作频率对应波长的比值小于0.18。

4.根据权利要求1所述的小型化双频全向螺旋天线，其特征在于，所述陶瓷介质棒(1)的介电常数为6.15。

5.根据权利要求1所述的小型化双频全向螺旋天线，其特征在于，所述寄生螺旋臂(4)与螺旋主臂(2)、地板(5)之间无直接电连接。

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