CN112271443A - 宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线 - Google Patents

宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线 Download PDF

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CN112271443A CN202011218655.8A CN202011218655A CN112271443A CN 112271443 A CN112271443 A CN 112271443A CN 202011218655 A CN202011218655 A CN 202011218655A CN 112271443 A CN112271443 A CN 112271443A
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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，涉及天线技术领域。所述天线包括介质板，所述介质板的一面形成有螺旋天线单臂，所述螺旋天线单臂包括位于内侧的光滑弧形微带线和位于外侧的曲折微带线，所述螺旋天线单臂由阿基米德函数
Figure DDA0002761288050000011
确定，其中r为单臂螺旋天线的半径，α为螺旋常数，α＝0.75mm/rad，
Figure DDA0002761288050000012
为缠绕角；宽度wa＝2.4mm的光滑弧形微带线从坐标原点开始，绕z轴从O点，旋转到A点，其中O点缠绕角
Figure DDA0002761288050000013
A点缠绕角
Figure DDA0002761288050000014
宽度wm＝3.0mm的曲折微带线从A点旋转到B点，其中B点缠绕角
Figure DDA0002761288050000015
所述天线具有较大的阻抗带宽和良好的辐射特性。

Description

宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线。
背景技术
圆极化(CP)天线广泛应用在卫星通信系统中，得益于应用圆极化天线后可以减少多径效应，减少卫星与接收天线的失配。在圆极化天线中，阿基米德螺旋天线具有高带宽，稳定的半功率波束宽度(HPBW)和良好的圆极化特性，因此受到广泛的关注。传统的阿基米德螺旋天线有两个对称的天线臂，要求对天线平衡馈电，这限制了其在工程中的应用。比传统阿基米德螺旋天线占用空间减小一半的，不需要平衡馈电的单臂阿基米德螺旋天线可以做的很小，方便携带，在超宽带(UWB)通信应用中更受欢迎，如何使得天线具有广阔的阻抗带宽和良好的辐射特性是当前研究的热点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够使得天线具有较大的阻抗带宽和良好的辐射特性的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：包括介质板，所述介质板的一面形成有螺旋天线单臂，所述螺旋天线单臂包括位于内侧的光滑弧形微带线和位于外侧的曲折微带线，所述螺旋天线单臂由阿基米德函数
Figure BDA0002761288030000011
确定，其中r为单臂螺旋天线的半径，α为螺旋常数，α＝0.75mm/rad，
Figure BDA0002761288030000012
为缠绕角；宽度wa＝2.4mm的光滑弧形微带线从坐标原点开始，绕z轴从O点，旋转到A点，其中O点缠绕角
Figure BDA0002761288030000013
A点缠绕角
Figure BDA0002761288030000014
宽度wm＝3.0mm的曲折微带线从A点旋转到B点，其中B点缠绕角
Figure BDA0002761288030000015
所述介质板的另一面形成有圆盘地，所述圆盘地与所述螺旋天线单臂同心设置，所述圆盘地的半径为rg＝25mm。
优选的，所述介质板使用介电常数4.2，厚度h＝2mm，半径rs＝68mm的FR4介质板。
进一步的技术方案在于：所述螺旋天线还包括同轴馈电探针，所述同轴馈电探针的外导体与圆盘地连接，同轴馈电探针的内导体穿过所述介质板后与所述螺旋天线单臂连接。
进一步的技术方案在于：所述螺旋天线还包括金属腔，所述金属腔位于介质板具有圆盘地的一侧。
进一步的技术方案在于：所述金属腔的外径与所述介质板的半径相等，且所述金属腔的高度为100mm。
进一步的技术方案在于：所述金属腔内充满吸收材料，所述吸收材料的介电常数为4.1，介电损耗角正切tanδ＝0.7。
优选的，所述金属腔使用铜皮卷绕制作，利用铜胶带固定。
优选的，所述螺旋天线单臂使用印刷电路板印刷。
进一步的技术方案在于：所述基米德螺旋天线上设置有贯穿其上下表面的通孔，同轴馈电探针中的同轴线穿过预留的通孔，将内导体与螺旋天线单臂焊接，同轴馈电探针中的外导体与圆盘地焊接。
优选的，所述圆盘地使用刻蚀工艺形成。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述阿基米德螺旋天线中，天线臂采用曲折圆弧微带线，增加了天线臂的长度，在低频上减少了天线尺寸。同时在天线下方增加了一个金属腔，将原来的双向波束变化为单向波束，仿真和实测结果显示此天线具有较大的阻抗带宽和良好的辐射特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1a-1d是本发明实施例所述天线的结构示意图；
图2a是曲折微带线天线臂天线仿真图；
图2b是光滑弧线微带线天线臂天线仿真图；
图3是不同天线臂的天线反射系数仿真结果图；
图4a是0.8GHz曲折微带线天线电流分布仿真结果图；
图4b是0.8GHz光滑弧线微带线天线电流分布仿真结果图；
图4c是1GHz曲折微带线天线电流分布仿真结果图；
图4d是1GHz光滑弧线微带线天线电流分布仿真结果图；
图5a是0.8GHz的xoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图5b是0.8GHz的yoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图5c是1GHz的xoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图5d是1GHz的yoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图6a是2GHz的xoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图6b是2GHz的yoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图6c是4GHz的xoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图6d是4GHz的yoz平面的辐射模式的仿真结果图；
图7a是0.8GHz的xoz平面的轴比的仿真结果图；
图7b是0.8GHz的yoz平面的轴比的仿真结果图；
图7c是1GHz的xoz平面的轴比的仿真结果图；
图7d是1GHz的yoz平面的轴比的仿真结果图；
图8a是2GHz的xoz平面的轴比的仿真结果图；
图8b是2GHz的yoz平面的轴比的仿真结果图；
图8c是4GHz的xoz平面的轴比的仿真结果图；
图8d是4GHz的yoz平面的轴比的仿真结果图；
图9是不同圆盘地半径的天线反射系数的仿真结果图；
图10是不同圆盘地半径的天线的输入阻抗仿真结果图；
图11是不同圆盘地半径的天线的轴比仿真结果图；
图12是不同螺旋常数的天线的反射系数仿真结果图；
图13a是0.8GHz的xoz平面的不同螺旋常数的辐射模式的仿真结果图；
图13b是0.8GHz的yoz平面的不同螺旋常数的辐射模式的仿真结果图；
图13c是1GHz的xoz平面的不同螺旋常数的辐射模式的仿真结果图；
图13d是1GHz的yoz平面的不同螺旋常数的辐射模式的仿真结果图；
图14是具有金属反射腔的SAAS天线的仿真模型图；
图15是具有和不具有反射腔的SAAS天线的反射系数仿真结果图；
图16具有和不具有反射腔的SAAS天线的轴比仿真结果图；
图17是SAAS天线原型图；
图18是天线原型VSWR的实测与仿真结果图；
图19是具有背腔的SAAS天线原型图；
图20是具有和不具有背腔的天线原型的VSWR的实测结果图；
图21a是xoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图21b是xoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图21c是yoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图21d是yoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图21e是xoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图21f是xoz平面不同频率下辐射模式测量结果图；
图22是具有背腔的天线的不同频率下轴比的实测与仿真结果图；
其中：1、介质板；2、光滑弧形微带线；3、曲折微带线；4、圆盘地；5、外导体；6、内导体；7、金属腔；8、通孔。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1a-1d所示，本发明实施例公开了一种宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，包括介质板1，所述介质板1的一面形成有螺旋天线单臂，所述螺旋天线单臂包括位于内侧的光滑弧形微带线2和位于外侧的曲折微带线3，所述螺旋天线单臂由阿基米德函数
Figure BDA0002761288030000051
确定，其中r为单臂螺旋天线的半径，α为螺旋常数，α＝0.75mm/rad，
Figure BDA0002761288030000052
为缠绕角；宽度wa＝2.4mm的光滑弧形微带线2从坐标原点开始，绕z轴从O点，旋转到A点，其中O点缠绕角
Figure BDA0002761288030000053
A点缠绕角
Figure BDA0002761288030000054
宽度wm＝3.0mm的曲折微带线3从A点旋转到B点，其中B点缠绕角
Figure BDA0002761288030000055
所述介质板1的另一面形成有圆盘地4，所述圆盘地4与所述螺旋天线单臂同心设置，所述圆盘地4的半径为rg＝25mm。
天线臂采用曲折微带线，增加了天线臂的长度，在低频上减少了天线尺寸。同时在天线下方增加了一个金属腔7(如图14所示)，将原来的双向波束变化为单向波束。仿真和实测结果显示此SAAS(单臂螺旋天线)天线具有广阔的阻抗带宽和良好的辐射特性。
螺旋天线单臂内圈使用光滑弧线外圈采用曲折弧线，两部分在A点直接相连，见图1b。曲折线可以延长电流路径。因此利用这一点提高天线在低频段的性能。
传统双臂平衡螺旋天线需要平衡馈电，平衡一个不平衡的结构需要一个巴伦。得益于SAAS天线是一个不平衡的结构，因此可以使用不平衡的馈电来对天线馈电，例如同轴探针，见图1a和1d。图1d可以看出，同轴线的外导体5连接在了圆盘地4，同轴线的内导体6连接在了天线臂。天线平面垂直下方没有平衡到不平衡转换器，因此天线结构小型便携。
此天线使用了介电常数4.2，厚度h＝2mm，半径rs＝68mm的FR4介质板,这种介质板成本低且利于加工。进一步的，天线臂可使用印刷电路板印刷，同轴线穿过预留的通孔8，将内导体6与天线臂焊接，外导体5与圆盘地4焊接。背面的金属腔7可用铜皮卷绕制作，利用铜胶带固定，也可使用机床加工。
下面结合具体仿真对上述结构的天线进行说明
天线中天线臂采用曲折微带线和光滑弧线微带线之间的比较
对图2a-2b所示的曲折微带线天线臂和光滑弧线微带线天线臂的两个阿基米德螺旋天线进行了仿真。图2a中缠绕角
Figure BDA0002761288030000056
图2b中缠绕角
Figure BDA0002761288030000057
图3显示了两个天线的反射系数仿真结果。从图3可以看出曲折微带线天线从0.24GHz到0.76GHz有更低的反射系数，因为在曲折微带线上沿天线臂电流流动的路径被延长。通常传统双臂阿基米德螺旋天线的最低工作频率λL估计为λL≈2πr(r是阿基米德螺旋天线的半径)，这个理论也可应用在单臂螺旋天线上。但是在最低工作频率上仅仅一个波长不足以维持良好的反射系数。在最低工作频率上周长大约选择为两个波长。从图3中可以注意到，从0.7GHz开始反射系数小于-10dB。天线半径rs为68mm，其周长仅仅为一个最低工作频率0.7GHz的波长。
虽然曲折微带线有效减少了天线尺寸，但辐射性能不应受曲折结构影响。根据电流带理论，利于天线辐射的有效区域主要分布在周长大约为noddλ的环状区域，其中nodd＝1,3,5…，λ是频率f的波长。因为天线外圈是曲折微带线，因此需要关注天线的低频辐射性能。图4a-4d显示了0.8GHz和1GHz的天线表面电流分布仿真结果。
从图4b和图4a的比较中可以看出，光滑弧线微带线天线的电流分布更集中靠近中心附近。光滑微带线最外圈的电流幅度低于曲折微带线。在工作频率上天线臂向外被激励的程度降低。对于光滑弧线微带线天线，与曲折微带线相比外圈没有被充分激励。因此有曲折微带线结构的天线可以工作在更低的频率上。换个角度说，若光滑弧线微带线天线工作在与曲折微带线天线相同的频率上需要更大的半径。从图4c和图4d的比较中可以看出，流经曲折微带线天线外圈天线臂的电流并不明显。更进一步，曲折微带线天线的电流更多集中环绕在中心区域。因此可以推断，光滑弧线微带线天线的增益应该更高，辐射模式应该较窄。这些推断能从下面的天线辐射性能仿真结果中得到确定。
图5a-5d显示了两个天线在0.8GHz和1GHz频率上的辐射模式。从图5a和图5b可以看出，曲折微带线天线和光滑弧线微带线天线表现出相似的辐射性能。两个天线的增益差小于0.11dB，3dB波束宽度差小于6度。图6a-6d显示了两个天线在2GHz和4GHz频率下的辐射模式仿真结果，从中可以验证两个天线在高频处的辐射性能差异。两个天线在2GHz频率上的辐射模式相似，其差异在2.5dB以内。但是随着频率升高，两个天线之间的差异更明显。图6d显示的两个天线在6GHz频率上的差异超过6dB。通过图6a-6d和图5a-5d的比较可以看出，天线的辐射模式发生明显改变。图5a-5d中，最大辐射方向在天线正上方，图6a-6d中，最大辐射方向发生了明显的偏移。
两个天线在0.8GHz和1GHz频点上的轴比如图7a-7d所示。从图7a和图7b中可以看出光滑弧线微带线天线在0.8GHz的轴比均超过3dB，因此并没有表现出良好的圆极化性能。曲折微带线天线在此处的轴比从-50°到50°的轴比小于3dB，最小值小于1dB。结果表明曲折微带线天线可达到良好的圆极化性能。从图7c和图7d可以看出，在1GHz上实现了良好的轴比性能。轴比从-40°到40°的范围内小于3dB。此外，曲折微带线天线有更好的轴比性能。综合以上的辐射模式和AR性能的仿真结果可以推断，曲折微带线结构对天线辐射模式和圆极化性能的影响较小。因此可以将曲折微带线结构应用在单臂螺旋天线上来减小天线尺寸。
2GHz和4GHz频点上两个天线的轴比如图8a-8d所示。从图8a-8d中可以看出，2GHz和4GHz频点上从-20°到20°多处地方的轴比小于3dB，较低频时范围窄(例如，在0.8GHz和1.6GHz)。从图8b中注意到光滑弧线微带线天线在2GHz频点上从5°到14°的轴比超过5dB。这可能与介质板背面的圆形地有关。圆形地并不对称，这会导致轴比性能的下降。圆形地的半径为25mm，对应工作频率为1.9GHz，接近2GHz。
对圆盘地的研究：
蚀刻在SAAS天线背面的圆盘地对反射系数有很大影响。图9显示了不同半径圆盘地的SAAS天线的仿真结果。从图9中注意到，圆盘地的半径减少时反射系数表现恶化。尤其在低频端，5mm半径的圆盘地的天线的反射系数较25mm情况时更坏。图10显示了不同圆盘地半径的SAAS天线的输入阻抗。半径小的(半径为5mm)SAAS天线从0.23GHz到1GHz有较小的阻抗，对比其他情况，此SAAS天线的电抗波动十分明显。从中可以看出圆盘地对天线的低频端性能影响显著。因此下面的仿真中将圆盘地半径设置为25mm。不同半径的圆盘地的SAAS天线在不同频率上的轴比的仿真结果如图11所示。从图11可以看出两个天线的AR性能变化呈现出相似的趋势，即随着频率升高AR性能逐渐恶化。6GHz以下时多处的轴比小于3dB。小圆盘(半径15mm)天线的轴比性能像大圆盘(半径25mm)天线轴比性能的平移，在小于5GHz频率上表现更好，高于6GHz时表现更差。
对螺旋常数的研究：
螺旋常数α是影响SAAS天线性能的另一个重要参数。图12显示了不同螺旋参数的SAAS天线的仿真结果。从图12中可以看出，螺旋常数也影响反射系数。螺旋常数为0.75mm/rad的螺旋天线具有最低的频率，S11<-10dB。随着螺旋常数增加，2GHz到4GHz范围内天线的最低反射系数向低频方向移动。
图13显示了不同频率下不同螺旋常数的SAAS天线的辐射模式仿真结果。从图13可以看出，更大的螺旋常数的天线具有更高的增益。螺旋常数越小的天线其天线增益越小。
具有金属背腔的SAAS天线：
为实现单向辐射，仿真了背面具有金属腔的上文提到的SAAS天线，如图14所示。金属腔的高度为100mm。金属腔充满了吸收材料(介电常数4.1，介电损耗角正切tanδ＝0.7)来提高低频带的反射系数。图15显示了具有和不具有反射腔的SAAS天线的反射系数的仿真结果。从图15中可以看出具有和不具有反射腔的SAAS天线的反射系数具有相似的表现。具有反射腔的SAAS天线在靠近0.2GHz时有更低的反射系数。
图16显示了不同频率下的具有和不具有金属腔的SAAS天线的轴比仿真结果。具有反射腔的轴比在小于1.4GHz时高于3dB，比没有反射腔的情况更差。金属腔破坏了天线的正交表面电流导致AR性能的下降。
实验测试
如图17所示，制作了图1所示参数的SAAS天线原型并用Agilent E8363B矢网分析仪实测了该天线。图18显示了电压驻波比(VSWR)的仿真与实测结果。从天线原型的实测结果可以看出具有1:10.02的阻抗带宽，从0.88GHz到8.82GHz的VSWR小于2dB。
图17所示SAAS天线原型具有双向辐射能力。为实现单向辐射，使用了具有吸收结构的金属腔，如图19所示。腔高度为100mm，等于0.29λL(λL是最低工作频率，0.88GHz)。图20显示了具有背腔的SAAS天线的VSWR。从中可以看出有吸收材料的腔体在低频带和高频带对VSWR几乎没有影响。对比其他文献的单臂螺旋天线，此天线具有更宽的带宽，如表1所示。但是，此天线的腔体高度高于其他文献中的螺旋天线。
表1本申请螺旋天线参数
Figure BDA0002761288030000091
图21a-21f显示了具有金属背腔的SAAS天线的广义辐射模式的测量结果。表2显示了不同频率下SAAS天线的3dB波束宽度。0.8GHz到7GHz的SAAS天线的3dB波束宽度范围从45°到59°
表2此SAAS天线的3dB波束宽度测量结果
Figure BDA0002761288030000092
图22显示了不同频率下轴比的仿真结果。从1.6GHz到8GHz轴比的测量结果小于3dB，AR带宽为130％，而且这与仿真结果吻合度较好。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：包括介质板(1)，所述介质板(1)的一面形成有螺旋天线单臂，所述螺旋天线单臂包括位于内侧的光滑弧形微带线(2)和位于外侧的曲折微带线(3)，所述螺旋天线单臂由阿基米德函数
Figure FDA0002761288020000011
确定，其中r为单臂螺旋天线的半径，α为螺旋常数，α＝0.75mm/rad，
Figure FDA0002761288020000012
为缠绕角；宽度wa＝2.4mm的光滑弧形微带线(2)从坐标原点开始，绕z轴从O点，旋转到A点，其中O点缠绕角
Figure FDA0002761288020000013
A点缠绕角
Figure FDA0002761288020000014
宽度wm＝3.0mm的曲折微带线(3)从A点旋转到B点，其中B点缠绕角
Figure FDA0002761288020000015
所述介质板(1)的另一面形成有圆盘地(4)，所述圆盘地(4)与所述螺旋天线单臂同心设置，所述圆盘地(4)的半径为rg＝25mm。
2.如权利要求1所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述介质板(1)使用介电常数4.2，厚度h＝2mm，半径rs＝68mm的FR4介质板。
3.如权利要求1所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述螺旋天线还包括同轴馈电探针，所述同轴馈电探针的外导体(5)与圆盘地连接(4)，同轴馈电探针的内导体(6)穿过所述介质板(1)后与所述螺旋天线单臂连接。
4.如权利要求1所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述螺旋天线还包括金属腔(7)，所述金属腔(7)位于介质板(1)具有圆盘地(4)的一侧。
5.如权利要求4所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述金属腔(7)的外径与所述介质板(1)的半径相等，且所述金属腔(7)的高度为100mm。
6.如权利要求4所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述金属腔(7)内充满吸收材料，所述吸收材料的介电常数为4.1，介电损耗角正切tanδ＝0.7。
7.如权利要求4所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述金属腔(7)使用铜皮卷绕制作，利用铜胶带固定。
8.如权利要求1所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述螺旋天线单臂使用印刷电路板印刷。
9.如权利要求3所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述基米德螺旋天线上设置有贯穿其上下表面的通孔(8)，同轴馈电探针中的同轴线穿过预留的通孔，将内导体(6)与螺旋天线单臂焊接，同轴馈电探针中的外导体(5)与圆盘地(4)焊接。
10.如权利要求1所述的宽带圆极化单臂阿基米德螺旋天线，其特征在于：所述圆盘地(4)使用刻蚀工艺形成。
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