CN112134004B - 一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线，具体包括天线介质基板，渐变式螺旋天线组件，地板，馈电网络介质基板和正交馈电网络。所述天线介质基板包括外层空心圆柱型薄介质板和内部实心圆柱型介质；所述渐变式螺旋天线组件包括第一螺旋臂、第二螺旋臂、第三螺旋臂、第四螺旋臂；该天线通过采用螺距依次递减的三段阶梯阻抗型螺旋臂并在末端加载开路枝节的结构，实现了在减小天线体积的同时，获得了较宽的半功率波束和3dB轴比波束；通过采用四臂螺旋结构，获得了较稳定的圆极化特性。

Description

一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种具有宽波束特性的四臂螺旋天线。
背景技术
圆极化天线在射频识别、全球定位卫星系统和卫星通信系统等许多应用中都经历了快速发展。由于圆极化对物理旋转不敏感，圆极化链路通常是点到点数据传输和接收的首选，而四臂螺旋天线以其优良的广角圆极化等特性得到了广泛的应用。
在卫星导航和卫星通信中，为了实现精确的位置控制，宽波束宽度是首选。假设卫星与地面站之间有通信链路，则链路距离与卫星相对于地面站的仰角成反比关系。宽半功率波束宽度和轴比波束宽度，决定了天线接受卫星信号的仰角度和在一定角度范围内接受圆极化信号的稳定性。这就定义了一个理想的等通量型波束，以保持链路在平坦信噪比的情况下保持稳定。然而，目前大多数小型化导航天线都难以实现较优的宽波束性能。因此，有必要设计一种小体积且具有良好波束宽度等通量辐射方向图的天线。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的问题，本发明设计了一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线。
本发明采取的技术方案其特征在于包括天线介质基板，渐变式螺旋天线组件，地板，馈电网络介质基板和正交馈电网络。所述天线介质基板包括外层空心圆柱型薄介质板和内部实心圆柱型介质；所述渐变式螺旋天线组件包括第一螺旋臂、第二螺旋臂、第三螺旋臂、第四螺旋臂；所述第一螺旋臂、第二螺旋臂、第三螺旋臂和第四螺旋臂结构相同，所述第一螺旋臂包括第一级阶梯阻抗螺旋线、第二级阶梯阻抗螺旋线、第三级阶梯阻抗螺旋线和开路枝节；所述馈电网络介质基板包括介质板、第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔；所述正交馈电网络包括激励端口、第一3dB横跨定向耦合器、第二3dB横跨定向耦合器、第三3dB横跨定向耦合器、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线、第六传输线、180°移相线、第一50欧姆电阻、第二50欧姆电阻、第三50欧姆电阻、第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针、第四馈电探针。
所述外层空心圆柱型薄介质板整体裹覆在内部实心圆柱型介质的外部，第二螺旋臂、第三螺旋臂、第四螺旋臂沿+Z轴方向顺时针螺旋上升缠绕外层空心圆柱型薄介质板，绕行圈数为2.2圈；所述第一级阶梯阻抗螺旋线、第二级阶梯阻抗螺旋线和第三级阶梯阻抗螺旋线的阻抗值呈递增关系且螺距呈递减关系，通过调节螺距可以实现等通量辐射模式。
所述第一螺旋臂自下而上分别为第一级阶梯阻抗螺旋线、第二级阶梯阻抗螺旋线、第三级阶梯阻抗螺旋线和开路枝节；
所述第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针、第四馈电探针分别穿过第一过孔、第二过孔、第三过孔、第四过孔与第一螺旋臂、第二螺旋臂、第三螺旋臂、第四螺旋臂相连接。
所述正交馈电网络通过采用三个3dB横跨定向耦合器和180°移相线实现了等幅、相位依次相差90°的馈电。
本发明公开的一种具有宽波束特性的四臂螺旋天线，通过采用螺距依次递减的三段阶梯阻抗型螺旋臂并在末端加载开路枝节的结构，实现了在减小天线体积的同时，获得了较宽的半功率波束和3dB轴比波束；通过采用四臂螺旋结构，获得了较稳定的圆极化特性。
附图说明
图1为本发明所述四臂螺旋天线结构分解图。
图2为本发明渐变式螺旋天线组件展开图。
图3为本发明正交馈电网络结构图。
图4为本发明所述四臂螺旋天线的S11曲线。
图5为本发明所述四臂螺旋天线在1.575GHz频率的方向性图。
图6为本发明所述四臂螺旋天线在1.575GHz频率的半功率波束宽度曲线。
图7本发明所述四臂螺旋天线在1.575GHz频率的轴比波束宽度曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线，包括天线介质基板1、渐变式螺旋天线组件2、地板3、馈电网络介质基板4和正交馈电网络5。
本发明采用的技术指标如下：
中心频率：1.575GHz
极化方式：右旋圆极化
半功率波束宽度：185°以上
高度：141.6mm
所述天线介质基板1由外层空心圆柱型薄介质板11和内部实心圆柱型介质12构成，外层空心圆柱型薄介质板11厚度为0.2mm；所述渐变式螺旋天线组件2包括包括第一螺旋臂21、第二螺旋臂22、第三螺旋臂23和第四螺旋臂24，四个螺旋臂结构相同；所述第一螺旋臂21包括第一级阶梯阻抗螺旋线211、第二级阶梯阻抗螺旋线212、第三级阶梯阻抗螺旋线213和开路枝节214；所述馈电网络介质基板4包括介质板41、第一过孔42、第二过孔43、第三过孔44和第四过孔45；所述正交馈电网络5包括激励端口51、第一3dB横跨定向耦合器52、第二3dB横跨定向耦合器53、第三3dB横跨定向耦合器54、第一传输线55、第二传输线56、第三传输线57、第四传输线58、第五传输线59、第六传输线60、180°移相线61、第一50欧姆电阻62、第二50欧姆电阻63、第三50欧姆电阻64、第一馈电探针65、第二馈电探针66、第三馈电探针67、第四馈电探针68。
如图1所示，外层空心圆柱型薄介质板11整体裹覆于内部实心圆柱型介质12，第一螺旋臂21、第二螺旋臂22、第三螺旋臂23、第四螺旋臂24沿+Z轴方向顺时针螺旋上升缠绕外层空心圆柱型薄介质板11，总绕行圈数为2.2圈；所述第一级阶梯阻抗螺旋线211、第二级阶梯阻抗螺旋线212和第三级阶梯阻抗螺旋线213的阻抗值呈递增关系且螺距呈递减关系，通过调节螺距可以实现等通量辐射模式。
馈电网络介质基板4厚度为1.5mm，其上层为地板3，下层为正交馈电网络5；第一螺旋臂21、第二螺旋臂22、第三螺旋臂23、第四螺旋臂24分别与穿过第一过孔42、第二过孔43、第三过孔44、第四过孔45的第一馈电探针65、第二馈电探针66、第三馈电探针67、第四馈电探针68连接(如图3所示)。
如图2所示，第一螺旋臂21、第二螺旋臂22、第三螺旋臂23、第四螺旋臂24按图2所示规律排布于外层空心圆柱介质板11上；所述第一螺旋臂21自下而上分别为第一级阶梯阻抗螺旋线211、第二级阶梯阻抗螺旋212、第三级阶梯阻抗螺旋线213和开路枝节214。
如图3所示，正交馈电网络5包含有三个3dB横跨定向耦合器，所述第一3dB横跨定向耦合器52的隔离端口与第一50欧姆电阻62连接，第一50欧姆电阻62的另一端接地；第二3dB横跨定向耦合器53的隔离端口与第二50欧姆电阻63连接，第二50欧姆电阻63的另一端接地；第三3dB横跨定向耦合器54的隔离端口与第三50欧姆电阻64连接，第三50欧姆电阻64的另一端接地，第一3dB横跨定向耦合器52的耦合端口通过第一传输线55与第二3dB横跨定向耦合器53的输入端口相连；第一3dB横跨定向耦合器52的直通端口通过第二传输线56与第三横跨定向耦合器54的输入端口相连；第二3dB横跨定向耦合器53的耦合端口通过第三传输线57连接至第一馈电探针65，第二3dB横跨定向耦合器53的直通端口通过第四传输线58连接至第二馈电探针66，第三3dB横跨定向耦合器54的直通端口通过第五传输线59连接至第三馈电探针67，第三3dB横跨定向耦合器54的耦合端口连接180°移相线61后通过第六传输线60连接至第四馈电探针68，实现了等幅、相位依次相差90°的馈电。
如图4所示，本发明所提出的具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线在1.575GHz的频段内匹配良好。
如图5所示，本发明所提出的具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线在1.575GHz频率右旋增益与左旋增益差值在20dB以上。说明本发明所提出的天线右旋圆极化性能较好。
如图6所示，本发明所提出的具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线在1.575GHz频率XOZ面的半功率波束宽度为187°，YOZ面的半功率波束宽度为194°。说明本发明所提出的天线实现了良好的等通量辐射模式。
如图7所示，本发明所提出的具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线在1.575GHz频率XOZ面的轴比波束宽度为153°，YOZ面的轴比波束宽度为153°。说明本发明所提出的天线在1.575GHz频点下可以接受较宽角度内的圆极化信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有等通量辐射特性的宽波束四臂螺旋天线，其特征在于包括：天线介质基板(1)、渐变式螺旋天线组件(2)、地板(3)、馈电网络介质基板(4)、正交馈电网络(5)；
所述天线介质基板(1)包括外层空心圆柱型薄介质板(11)和内部实心圆柱型介质(12)；所述渐变式螺旋天线组件(2)包括第一螺旋臂(21)、第二螺旋臂(22)、第三螺旋臂(23)、第四螺旋臂(24)；所述第一螺旋臂(21)、第二螺旋臂(22)、第三螺旋臂(23)和第四螺旋臂(24)结构相同，所述第一螺旋臂(21)包括第一级阶梯阻抗螺旋线(211)、第二级阶梯阻抗螺旋线(212)、第三级阶梯阻抗螺旋线(213)和开路枝节(214)；所述馈电网络介质基板(4)包括介质板(41)、第一过孔(42)、第二过孔(43)、第三过孔(44)和第四过孔(45)；所述正交馈电网络(5)包括激励端口(51)、第一3dB横跨定向耦合器(52)、第二3dB横跨定向耦合器(53)、第三3dB横跨定向耦合器(54)、第一传输线(55)、第二传输线(56)、第三传输线(57)、第四传输线(58)、第五传输线(59)、第六传输线(60)、180°移相线(61)、第一50欧姆电阻(62)、第二50欧姆电阻(63)、第三50欧姆电阻(64)、第一馈电探针(65)、第二馈电探针(66)、第三馈电探针(67)、第四馈电探针(68)；
所述外层空心圆柱型薄介质板(11)整体裹覆在内部实心圆柱型介质(12)的外部，第一螺旋臂(21)、第二螺旋臂(22)、第三螺旋臂(23)、第四螺旋臂(24)沿+Z轴方向顺时针螺旋上升缠绕外层空心圆柱型薄介质板(11)，其中绕行圈数为2.2圈；所述第一级阶梯阻抗螺旋线(211)、第二级阶梯阻抗螺旋线(212)和第三级阶梯阻抗螺旋线(213)的阻抗值呈递增关系且螺距呈递减关系，通过调节螺距实现等通量辐射模式；
所述第一级阶梯阻抗螺旋线(211)、第二级阶梯阻抗螺旋线(212)、第三级阶梯阻抗螺旋线(213)和开路枝节(214)自下而上依次连接；所述第一馈电探针(65)、第二馈电探针(66)、第三馈电探针(67)、第四馈电探针(68)分别穿过第一过孔(42)、第二过孔(43)、第三过孔(44)、第四过孔(45)与第一螺旋臂(21)、第二螺旋臂(22)、第三螺旋臂(23)、第四螺旋臂(24)相连接；
所述第一3dB横跨定向耦合器(52)的隔离端口与第一50欧姆电阻(62)连接、第一50欧姆电阻(62)的另一端接地；所述第二3dB横跨定向耦合器(53)的隔离端口与第二50欧姆电阻(63)连接、第二50欧姆电阻(63)的另一端接地；第三3dB横跨定向耦合器(54)的隔离端口与第三50欧姆电阻(64)连接、第三50欧姆电阻(64)的另一端接地，第一3dB横跨定向耦合器(52)的耦合端口通过第一传输线(55)与第二3dB横跨定向耦合器(53)的输入端口相连接；所述第一3dB横跨定向耦合器(52)的直通端口通过第二传输线(56)与第三3dB横跨定向耦合器(54)的输入端口相连；第二3dB横跨定向耦合器(53)的耦合端口通过第三传输线(57)连接至第一馈电探针(65)，第二3dB横跨定向耦合器(53)的直通端口通过第四传输线(58)连接至第二馈电探针(66)，第三3dB横跨定向耦合器(54)的直通端口通过第五传输线(59)连接至第三馈电探针(67)，第三3dB横跨定向耦合器(54)的耦合端口连接180°移相线(61)后通过第六传输线(60)连接至第四馈电探针(68)，从而实现了等幅、相位依次相差90°的馈电。
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Application publication date: 20201225

Assignee: Dalian Qingyang Zhicheng Technology Co.,Ltd.

Assignor: Dalian Maritime University

Contract record no.: X2023210000263

Denomination of invention: A Wide Beam Four Arm Spiral Antenna with Equal Flux Radiation Characteristics

Granted publication date: 20220719

License type: Common License

Record date: 20231130