CN111490347A - 基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种体积小、工作可靠的基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置，其特征在于设有位于同一个单层印刷电路基板上的天线辐射器和馈电巴伦机构，所述天线辐射器采用超宽带阿基米德螺旋天线辐射器，所述馈电巴伦机构采用共面波导到共面带状线转换巴伦，其中馈电巴伦机构中的馈电线与天线辐射器采用金属过孔直接连接；所述馈电巴伦机构设有特性阻抗渐变的共面波导、圆形缝隙谐振腔、金属跳线和带状线，其中共面波导为不平衡端口，带状线为平衡端口，二者中间的部分实现了不平衡信号到平衡信号的转换；金属地板的形状和尺寸，以及圆形缝隙谐腔组成阻抗调配和调谐网络，实现阿基米德螺旋天线辐射器和集成巴伦的阻抗匹配。

Description

基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置

技术领域：

本发明涉及宽带天线传感器制造技术领域，具体的说是一种能够适应现代雷达高分辨率要求、体积小、工作可靠的基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，电子技术在军事领域的应用日益广泛，几乎全部的现代化武器系统都依赖于电子系统的技术效能。由于在现代战争中，电磁环境越来越复杂，电子对抗的地位也变得越来越重要。虽然传统的干扰和抗干扰方式已有相应的措施与之抗衡，但是随着新体制雷达的不断出现和发展，电子对抗出现了更大的挑战。电子对抗技术要求具有对低载获雷达的信息截获能力以及对宽带大功率雷达的干扰能力，由于系统带宽的不断提高，这就要求收发天线的带宽必须不断展宽来适应现代雷达的高分辨率。

超宽带是根据信号的相对带宽来定义的，通常认为相对带宽大于25％的信号属于超宽带信号。扩展天线带宽的原理和方法包括角形结构天线、自补结构天线、自相似天线、增大电流辐射面积、补偿与加载等。常见的超宽天线的类型有平面等角螺旋、平面阿基米德螺旋、渐变缝隙天线、对数周期和正弦天线等。平面等角螺旋天线是一种频率无关天线，最早由Rumsey和Dyson等人提出，现在它被广泛迎应用于宽频带被动测向系统中。平面阿基米德螺旋天线在20世纪50年代被提出来。阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化辐射、方向图形状及输入阻抗随频率变化小、半功率波瓣宽度大、口径面小等特点，能够平齐安装，属于低轮廓天线，因此在飞行器上得到了较为广泛的应用。Gibson在1979年提出一种行波天线，称之为Vivaldi天线，该天线具有非周期、渐变和端射的特点。这种天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线按照指数规律变化，将介质板的槽线逐渐加大，形成喇叭口向外辐射电磁波。这种天线是一种高增益、线极化的天线，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线，在设计频段内具有相同的波束宽度，理论上具有无限带宽。对数周期天线是一种非频变天线，它除了具有很好的宽带特性外，还具有结构简单、容易实现、性能优良的特点，自从问世以来，对数周期天线就在微波、超短波、短波波段中广泛应用于测向、无线通信、电子对抗等领域。曲折臂天线具有平面型、宽频带、全极化和单孔径的特点，它是具有全部这四个特点的第一种天线。曲折臂天线在单一口径中包含两个正交极化的线天线，此正交极化的线天线具有极宽的频带能力。当圆极化波到达均匀物体时会反射极化反向的圆极化波。此外，圆极化天线可以接收任意极化来波的同时，它的散射波也可以被任意极化天线所接收。因此，为了发射和接收天线可以灵活定向且避免严重的极化失配，圆极化天线在雷达、无线通信和导航等领域引起了广泛关注。而印刷天线由于低剖面、结构简单、易于加工的优点也同样受到关注。因此圆极化印刷微带天线成为大量学者的研究方向。在近几年的圆极化天线研究中，双馈圆极化天线比单馈圆极化天线具有更宽的阻抗带宽和轴比带宽，但为了达到双馈点90°的相位差，往往需要复杂的馈电网络。如何利用单点馈电达到宽带圆极化，成为了圆极化天线的新课题。国内外学者在这方面做了大量研究，设计了多种天线形式(如介质谐振天线、可重构贴片天线、单极天线以及印刷缝隙天线)。

发明内容：

本发明针对传统的超宽带平面螺旋天线馈电结构复杂，加工较为困难，工艺实现需要焊接等问题，提出了一种整个天线采用印刷电路工艺实现，易于设计和加工，特别是在高频段，能够保证设计时的精度，获得更好的一致性的基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置。

本发明通过以下措施达到：

一种基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置，其特征在于设有位于同一个单层印刷电路基板上的天线辐射器和馈电巴伦机构，所述天线辐射器采用超宽带阿基米德螺旋天线辐射器，所述馈电巴伦机构采用共面波导(CPW)到共面带状线(CPS)转换巴伦，其中馈电巴伦机构中的馈电线与天线辐射器采用金属过孔直接连接；所述馈电巴伦机构设有特性阻抗渐变的共面波导(CPW)、圆形缝隙谐振腔、金属跳线和带状线(CPS)，其中共面波导为不平衡端口，带状线为平衡端口，二者中间的部分实现了不平衡信号到平衡信号的转换；金属地板的形状和尺寸，以及圆形缝隙谐腔组成阻抗调配和调谐网络，实现阿基米德螺旋天线辐射器和集成巴伦的阻抗匹配；其中共面波导的特性阻抗计算公式为：

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

上列式中，K(k)和K'(k)分别是以k和k'为模的第一类完全椭圆积分，其中

求解N带状线的特性阻抗计算公式为:

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

本发明中超宽带阿基米德螺旋天线辐射器中天线的两个螺旋臂方程分别是：

其中，φ₀为初始方位角，r₀为螺旋初始径向距离，a为决定螺距增长快慢的常数。与平面等角螺旋不同的是，阿基米德螺旋随方位角按线形比例关系增加，而等角螺旋天线是指数关系，因此阿基米德螺旋的螺距增长比等角螺旋慢。

本发明针对超宽带雷达系统中对天线装置的技术需求，提出了一种基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线设计方案及天线装置。传统的超宽带平面螺旋天线馈电结构复杂，加工较为困难，工艺实现需要焊接过程，本发明设计的平面印刷双臂阿基米德螺旋天线采用集成巴伦馈电结构，整个天线辐射器和馈电巴伦在一个单层印刷电路基板上实现，采用金属过孔实现平衡馈电双线与天线辐射振子臂的互联，避免了焊接工艺；整个天线采用印刷电路工艺实现，易于设计和加工，特别是在高频段，能够保证设计时的精度，获得更好的一致性。设计了从共面波导到共面带状线的超宽带巴伦，巴伦完成从不平衡的传输线到平衡的辐射器振子之间的转换，同时，超宽带巴伦也具有阻抗变换的功能，实现从50欧姆的阻抗变换到约为180欧姆的阻抗变换，以达到对双臂阿基米德螺旋天线辐射器的匹配激励。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的前侧示意图。

附图3是本发明的后侧示意图。

附图4是本发明中阿基米德螺旋天线及其原理示意图，图4(a)是天线线圈结构图，图4(b)是原理示意图。

附图5是本发明中馈电巴伦机构的低频电路图。

附图6是本发明中馈电巴伦机构的网络结构图。

附图7是本发明中共面波导和带状线的结构示意图，图7(a)是共面波导示意图，图7(b)是带状线示意图。

附图8是本发明实施例1中天线端口的回波损耗仿真曲线图。

附图9是本发明实施例1中频率为1GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图10是本发明实施例1中频率为2GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图11是本发明实施例1中频率为3GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图12是本发明实施例1中频率为4GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图13是本发明实施例1中频率为5GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图14是本发明实施例1中频率为6GHz时共形天线阵列辐射特性仿真结果图。

附图标记：1为双臂阿基米德螺旋天线辐射器、2为CPW-CPS集成巴伦、3为双臂阿基米德螺旋天线辐射器的振子臂、4为CPW-CPS集成巴伦与天线辐射器的连接导电孔、5为CPW传输线、6为CPW传输线阻抗变换段、7为圆形谐振腔、8 为CPS传输线、9为短路跳线。

具体实施方式：

本发明针对超宽带雷达系统中对天线装置的技术需求，提出了一种基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线设计方案及天线装置。传统的超宽带平面螺旋天线馈电结构复杂，加工较为困难，工艺实现需要焊接过程，本发明设计的平面印刷双臂阿基米德螺旋天线采用集成巴伦馈电结构，整个天线辐射器和馈电巴伦在一个单层印刷电路基板上实现，采用金属过孔实现平衡馈电双线与天线辐射振子臂的互联，避免了焊接工艺；整个天线采用印刷电路工艺实现，易于设计和加工，特别是在高频段，能够保证设计时的精度，获得更好的一致性。设计了从共面波导到共面带状线的超宽带巴伦，巴伦完成从不平衡的传输线到平衡的辐射器振子之间的转换，同时，超宽带巴伦也具有阻抗变换的功能，实现从50欧姆的阻抗变换到约为180欧姆的阻抗变换，以达到对双臂阿基米德螺旋天线辐射器的匹配激励。本发明设计的基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线模型如图1所示。图2为天线的前视图，图3为天线的后视图。

阿基米德平面螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在电子战领域有着重要的应用，常被用作比幅测向和干涉仪天线阵的单元天线。随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形阿基米德平面螺旋天线的直径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再降低天线的工作频率，减小天线尺寸，或减小基线长度，则需进行曲折臂或阻容加载等设计。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，由于互补结构可实现更好阻抗匹配，此时金属螺旋线的宽度等于两条螺旋线间的间隔宽度。阿基米德螺旋天线，跟其它螺旋天线一样，采用印刷电路技术很容易制造。如图4(a)所示，天线的两个螺旋臂方程分别是：

其中，φ₀为初始方位角，r₀为螺旋初始径向距离，a为决定螺距增长快慢的常数。与平面等角螺旋不同的是，阿基米德螺旋随方位角按线形比例关系增加，而等角螺旋天线是指数关系，因此阿基米德螺旋的螺距增长比等角螺旋慢。

根据传输线理论，两根传输线上的电流反相，当两线之间的间距很小时，传输线不产生辐射。为了明显地将两臂分开，在图4(b)中分别用虚线和实线表示天线的两个臂。研究图中P、P'点处的两线段，设

即P和Q为两臂上的对应点，对应线段上的电流相位差为π+(2π/λ)πr。若设r＝λ2π，则P 和P'点相位差为2π。因此，若满足上述条件，两线段的辐射是同相叠加而非相消的。换句话说，天线主要辐射是集中在周长约等于λ的螺旋环带上，称之为有效辐射带。随着频率的变化，有效辐射带也随之变化，故阿基米德螺旋天线具有宽频带特性。虽然阿基米德螺旋天线可以在很宽频带上工作，但它不是一个真正的非频变天线，因为电流在工作区后不明显减小，因而不能满足截断要求，必须在末端加载，以避免波的反射。关于常数a的选取准则：如果a取得小，则螺旋曲率小，在天线外半径相同条件下，所对应的螺旋电长度增加，其优点在于天线的终端效应得到更好的抑制。但是如果a选取的过小，会导致圈数增加，从而损耗也相应增大。

同轴线馈电是一种非平衡馈电方式，与同轴线类似是，微带线馈电也为非平衡馈电方式。巴伦变换线在满足频率要求的同时，是非平衡馈电方式到平衡馈电方式变换的一种很好的选择。和同轴传输线相比，它在转换成一个平行线式的传送的时候，引入到阻抗变换电路中，以达到某种效果的阻抗匹配，从而实现很好的阻抗匹配效果。用四分之一波长阶梯形渐变线阻抗匹配装置来进行阻抗匹配，也是一种有效实现阻抗匹配的方法。此外，它也可以采取一种阶梯线，以实现阻抗匹配，具有良好的性能，在很宽的工作频带。设计使用的梯度线，也就是，无限的数量的增加而加强阶梯阻抗变压器，将无限缩短每个梯子的长度，那么多台阶的阻抗匹配装置的横截面尺寸可以看成是和的横截面特性阻抗连续变化的梯度线。梯度线的频带非常宽，而且拥有很大的功率高容量。渐变线的种类很多，有双曲线渐变线，抛物线渐变线，贝塞尔和切比雪夫渐变线和梯形梯度线。传统的巴伦制作方法有很多种，如高频开路法、磁环三线绕制、高频变压器法等，但这些传统巴伦存在频带窄或高频下损耗大等缺点。微带巴伦具有易加工﹑结构紧凑、可实现宽频带等优点，近年来，随着现代通讯的发展，微带巴伦得到广泛重视和研究，一些结构新颖、具有宽频带特性的微带巴伦被国内外研究文献提出。巴伦的作用是将射频微波信号从单端输入转换为双端平衡输出，同时完成阻抗匹配的功能。图5表示了巴伦的低频电路原理。巴伦初级的一端是接地端，是不平衡端口。巴伦次级端口2和端口3都属非接地端，对地都具有高阻抗，因而次级端口即为平衡端口。如果次级两端与地之间都接有电阻为R_L的负载时，它们就会对地产生大小相等而方向相反的电压，即：

如果从初级向负载方向看，可得输入阻抗为：

设计中可以通过改变变压器的变比n，就可以使得输入阻抗与信号源阻抗Rsg相等，以达到阻抗匹配状态。图6所示为巴伦的网络结构，射频微波信号在图中标注端口1输入，在端口2、端口3输出，其中信号在2和3端口是平衡的。在微波频段，为了实现平衡到不平衡之间的互换，巴伦一般情况下可采用带线形式来实现。巴伦的结构、电路随工作频率和整机的需要而进行改变。

本发明设计了一种改进的基于共面波导和带状线传输的超宽带平面印刷巴伦馈电结构；采用单层介质基板，引入一段直线连续CPW阻抗变换器，增加工作带宽，降低介质损耗；采用单个金属跳线方式，实现金属地板的连接，短路位置采用全波电磁仿真技术确定。设计的巴伦主要由特性阻抗渐变的共面波导(CPW)、圆形缝隙谐振腔、金属跳线和带状线(CPS)组成。其中共面波导为不平衡端口，带状线为平衡端口，二者中间的部分实现了不平衡信号到平衡信号的转换；此处，金属地板的形状和尺寸，以及圆形缝隙谐腔组成阻抗调配和调谐网络，实现阿基米德螺旋天线辐射器和集成巴伦的阻抗匹配，进一步拓宽天线的工作频带，同时使得巴伦结构更加紧凑。

共面波导和带状线是平面传输微波线，结构如图7所示。

共面波导的特性阻抗计算公式为：

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

上列式中，K(k)和K'(k)分别是以k和k'为模的第一类完全椭圆积分，其中

求解N带状线的特性阻抗计算公式为:

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

以上公式仅仅是经验公式，实际设计中还需要进行细微的调整以获得最佳的效果。

实施例1：

本发明设计了一种基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线装置的可行性和有效性。

本发明设计的基基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线的电路特性如图 8所示，由图可见，在工作频点1GHz～6GHz范围，该天线端口的平均回波损耗约为-8dB。

为了表征该天线的辐射特性，在此分别给出在1GHz至6GHz时的天线的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果，分别如图9和图14所示。由仿真结果可以看出，该天线表现出宽波束方向图性能，增益随着频率的变化基本上保持稳定，方向图起伏性不大，但是主波束发生一定的偏转，极化方式近似为圆极化。

综上所述，本发明提出了一种基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线设计方案及天线装置，该天线装置由共面波导(CPW)到共面带状线(CPS)转换巴伦和超宽带阿基米德螺旋天线集成而成，整个天线由单层介质基板实现，结构简单，设计方便，机械特性较好；平面印刷巴伦与超宽带天线辐射器位于同一介质基板上，馈电线与天线辐射器采用金属过孔直接连接，避免了焊接工艺，性能一致性好；天线辐射器和馈电巴伦便于一体化设计和仿真，加速设计过程，有利于实现天线辐射器和馈电传输线之间的调谐和调配，在天线设计方案上有利于工程实现。本发明中的基于集成巴伦馈电的超宽带平面螺旋天线装置适合应用于无源测向系统、超宽带雷达系统、电子对抗系统和超宽带通信系统中，也适合于卫星和飞机等平台应用，具有平台的适应性。

Claims (2)

1.一种基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置，其特征在于设有位于同一个单层印刷电路基板上的天线辐射器和馈电巴伦机构，所述天线辐射器采用超宽带阿基米德螺旋天线辐射器，所述馈电巴伦机构采用共面波导(CPW)到共面带状线(CPS)转换巴伦，其中馈电巴伦机构中的馈电线与天线辐射器采用金属过孔直接连接；所述馈电巴伦机构设有特性阻抗渐变的共面波导(CPW)、圆形缝隙谐振腔、金属跳线和带状线(CPS)，其中共面波导为不平衡端口，带状线为平衡端口，二者中间的部分实现了不平衡信号到平衡信号的转换；金属地板的形状和尺寸，以及圆形缝隙谐腔组成阻抗调配和调谐网络，实现阿基米德螺旋天线辐射器和集成巴伦的阻抗匹配；其中共面波导的特性阻抗计算公式为：

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

上列式中，K(k)和K'(k)分别是以k和k'为模的第一类完全椭圆积分，其中

求解N带状线的特性阻抗计算公式为:

ε_re为介质的有效介电常数:

其中，

2.根据权利要求1所述的一种基于集成馈电结构的超宽带平面螺旋天线装置，其特征在于超宽带阿基米德螺旋天线辐射器中天线的两个螺旋臂方程分别是：

其中，φ₀为初始方位角，r₀为螺旋初始径向距离，a为决定螺距增长快慢的常数。

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