CN112397890B - 支撑介质以及螺旋天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线领域，旨在解决现有宽带圆极化天线小型化困难、方向图质量较差的问题，提供支撑介质以及螺旋天线及其制造方法。螺旋天线包括支撑介质、螺旋辐射器、馈电网络和宽带渐变阻性加载器。支撑介质包括锥壳和柱壳，螺旋辐射器为由对称的两条螺旋臂构成的螺旋结构；馈电网络位于支撑介质的内部；宽带渐变阻性加载器设置在支撑介质的柱壳的内壁处，且在从其靠近锥壳锥顶一端到另一端的方向上，宽带渐变阻性加载器的阻值逐渐增大。本发明的有益效果是通过变锥角设计/锥柱复合设计/宽带渐变阻性加载器设计，解决了天线增益分段调节、尺寸小型化的问题。

Description

支撑介质以及螺旋天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及支撑介质以及螺旋天线及其制造方法。

背景技术

为了获得单向辐射特性，可以将等角螺旋绕在一个圆锥上，这样就构成了圆锥螺旋天线。圆锥螺旋天线属于非平面结构的螺旋天线，是一种典型的宽带、圆极化天线，不用反射腔或反射面就可以获得单方向辐射，天线的辐射方向主要朝向圆锥的顶端方向。圆锥螺旋天线除了超宽带特性外，还具有方向图前后比好、增益恒定及宽角轴比好等优点。

圆锥螺旋天线在实现及小型化设计方面有较大的困难：

(1)圆锥螺旋天线的有效辐射区基本上在周长约为一个波长的区域内，当频率变化时，有效辐射区沿轴向前后移动，频率高时向锥顶方向移动，频率低时则向锥底方向移动，使天线具有宽带特性。工作带宽主要是受到圆锥锥顶和锥底直径的限制，低频工作频率受锥底直径限制，缩小天线尺寸会直接造成圆极化性能恶化、带宽减小，导致天线小型化较为困难；

(2)圆锥螺旋天线增益及方向图由锥角及螺旋角共同决定，对于给定的锥角及螺旋角，增益往往不可调节；

(3)传统的圆锥螺旋天线实现方式为，将锥形介质支撑开槽，圆柱形金属线条缠绕在介质槽中，但由于圆锥螺旋天线为行波天线，其表面波电流较强，表面电流进入介质支撑后会产生较大损耗，并在金属与介质交界面产生反射，使天线方向图产生畸变，增益降低。

在2018年授权专利号为CN104134858B的专利“一种环耦合的宽带小型化圆锥螺旋天线”中，提出了一种采用指数渐变双面微带线馈电、底部增加耦合环的圆锥螺旋天线，在底部增加耦合环后可改善天线匹配。但是螺旋直径由锥角及低端工作频率决定，天线尺寸较大。指数渐变双面微带线并不能达到完全平衡，天线方向图在宽带工作时会产生歪头。耦合环本身属于窄带结构，其自身工作频段不宽，无法在较宽的频带上实现耦合匹配。

发明内容

本发明旨在提供支撑介质以及螺旋天线及其制造方法，以解决现有宽带圆极化天线小型化困难、方向图质量较差的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种螺旋天线，其包括支撑介质、螺旋辐射器、馈电网络和宽带渐变阻性加载器；

所述支撑介质为中空的壳状结构，其包括相互连接的锥壳和柱壳；所述支撑介质的外表面为由圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面构成的支撑面；

所述螺旋辐射器为由对称的两条螺旋臂构成的螺旋结构，且所述螺旋辐射器包括圆锥螺旋线段和连接在圆锥螺旋线段后端的柱状螺旋线段；所述圆锥螺旋线段附着于所述支撑介质的圆锥面上、所述柱状螺旋线段附着于所述支撑介质的圆柱面上；

所述馈电网络位于壳状的所述支撑介质的内部，且所述馈电网络的一端电连接于所述圆锥螺旋线段的锥端、另一端用于连接外接电路；

所述宽带渐变阻性加载器设置在所述支撑介质的柱壳的内壁处，且在从其靠近锥壳锥顶一端到另一端的方向上，所述宽带渐变阻性加载器的阻值逐渐增大。

本方案各实施方式至少具有以下技术效果之一：

1)采用宽带平衡器馈电网络馈电，相比传统的渐变微带线馈电方式，提高了馈电处的平衡度，使天线方向图旋转对称；

2)将螺旋线条印制在低损耗介质材料表面，采用低损耗、高强度薄型介质材料，减小了介质对表面电流的影响，提高了天线增益；

3)采用变锥度设计，能够针对不同频段对方向图进行调节；

4)在螺旋线末端采用圆柱结构减小了天线的径向尺寸，并在圆柱段介质内壁加载宽带渐变阻性加载器，减小末端电流的反射，从而减小了天线的轴向尺寸。

综上所述，本方案通过变锥角设计/锥柱复合设计/宽带渐变阻性加载器设计，解决了天线增益分段调节、尺寸小型化的问题。

在一种实施方式中，

所述锥壳包括多段依次连接的锥段，各锥段的锥角和/或螺旋角不全相等。

本方案还提供一种螺旋天线，所述螺旋天线的螺旋辐射器为由对称的两条螺旋臂构成的螺旋结构，且所述螺旋辐射器包括圆锥螺旋线段和连接在圆锥螺旋线段后端的柱状螺旋线段。

在一种实施方式中，

所述圆锥螺旋线采用对数螺旋，其极坐标方程为：

r＝r₀e^bφ (1)，

圆锥螺旋线段的两条螺旋臂中，其中一条螺旋臂的边缘为r₁和r₂、另一条螺旋臂的边缘为r₃和r₄，

r₁＝r₀e^bφ，r₂＝r₀e^b(φ-δ)； (2)

r₃＝r₀e^b(φ-π)，r₄＝r₀e^b(φ-π-δ) (3)，

式(1)-式(3)中，b＝αsinθ₀＝sinθ₀/tanα，r是从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径，_α是螺旋的切线与圆锥母线间的夹角，即螺旋角，θ₀为圆锥面的锥角，

为极坐标角度；所述圆锥螺旋线从其始端点(r₀,φ₀＝0)开始在圆锥面上展开，且在展开过程中α角始终保持不变；

以圆锥螺旋线段所在圆锥面和柱状螺旋线段所在圆柱面的交面中心点为坐标原点O、以经过坐标原点O为交点建立X轴和Y轴、以垂直于所述交面切经过坐标原点O的方向为Z轴建立空间直角坐标系，在该空间直角坐标系中表达柱状螺旋线段的方程为：

ρ＝ρ₀ (4)

式(4)-式(5)，ρ为极坐标半径，即点在XOY面上投影距离坐标原点O的距离，

为极坐标角度，即点在XOY面上投影与X轴夹角，ρ₀为半径，θ为螺旋线外包络与X轴夹角。

在一种实施方式中，

所述圆锥螺旋线段所在圆锥面包括多段依次连接的锥面，各锥面的锥角和/或螺旋角不全相等。

本方案还提供一种如前述的螺旋天线的制造方法，其包括以下步骤：

制作支撑介质，使支撑介质的支撑面包括圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面；

将导电材料用印制的方式印制在所述支撑面上，以形成附着于所述圆锥面上的圆锥螺旋线段和附着于所述圆柱面上的柱状螺旋线段。

本方案还提供一种用于螺旋天线的支撑介质，所述支撑介质用于支撑辐射器的支撑面包括圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面。

在一种实施方式中，

所述圆锥面包括多个依次连接的锥段，且各锥段的锥角彼此不等。

在一种实施方式中，

所述支撑介质为中空的壳状结构，所述支撑介质包括相互连接的锥壳和柱壳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例中的螺旋天线的结构示意图(为避免遮挡内部结构，其中支撑介质仅采用虚线示意其外轮廓)；

图2示出了支撑介质上附着螺旋辐射器时的结构示意图；

图3为在该空间直角坐标系中的柱状螺旋线段的示意图；

图4为支撑介质的一种实施方式的示意图；

图5为本发明实施例中的螺旋天线与传统天线的驻波仿真对比图；

图6为本发明实施例中的螺旋天线与传统天线的0.8GHz方向图；

图7为本发明实施例中的螺旋天线与传统天线的4GHz方向图；

图8为本发明实施例中的螺旋天线与传统天线的8GHz方向图。

图标：螺旋天线10、支撑介质11、螺旋辐射器12、馈电网络13、宽带渐变阻性加载器14、锥壳15、柱壳16、圆锥面17、圆柱面18、螺旋臂19、圆锥螺旋线段20、柱状螺旋线段21、内壁22、锥段23。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例

参见图1和图2，本实施例提出一种螺旋天线10，其包括支撑介质11、螺旋辐射器12、馈电网络13和宽带渐变阻性加载器14。

所述支撑介质为中空的壳状结构，其包括相互连接的锥壳15和柱壳16；所述支撑介质的外表面为由圆锥面17和连接于圆锥面大端之下的圆柱面18构成的支撑面。

所述螺旋辐射器为由对称的两条螺旋臂19构成的螺旋结构，且所述螺旋辐射器包括圆锥螺旋线段20和连接在圆锥螺旋线段后端的柱状螺旋线段21。所述圆锥螺旋线段附着于所述支撑介质的圆锥面上、所述柱状螺旋线段附着于所述支撑介质的圆柱面上。

所述馈电网络位于壳状的所述支撑介质的内部，且所述馈电网络的一端电连接于所述圆锥螺旋线段的锥端、另一端用于连接外接电路。

所述宽带渐变阻性加载器设置在所述支撑介质的柱壳的内壁22处，且在从其靠近锥壳锥顶一端到另一端的方向上，所述宽带渐变阻性加载器的阻值逐渐增大。该宽带渐变阻性加载器可以为位于螺旋线内部的一层薄介质层，介质层的内部加载着用于吸收螺旋线低频终端电流的宽带渐变阻抗加载器。

本方案各实施方式至少具有以下技术效果之一：

1)采用宽带平衡器馈电网络馈电，相比传统的渐变微带线馈电方式，提高了馈电处的平衡度，使天线方向图旋转对称；

2)将螺旋线条印制在低损耗介质材料表面，采用低损耗、高强度薄型介质材料，减小了介质对表面电流的影响，提高了天线增益；

3)采用变锥度设计，能够针对不同频段对方向图进行调节；

4)在螺旋线末端采用圆柱结构减小了天线的径向尺寸，并在圆柱段介质内壁加载宽带渐变阻性加载器，减小末端电流的反射，从而减小了天线的轴向尺寸。

本实施例中，为了提高两螺旋臂馈电处的平衡度，采用宽带Marchand平衡馈电网络进行馈电，实现了方向图的旋转对称。

为消除介质材料对表面电流的影响，可选用低损耗的介质材料、降低介质锥体厚度，并采用纳米涂料将金属图形印制在介质锥体表面，使金属线条位于介质表面。

综上所述，本方案通过变锥角设计/锥柱复合设计/宽带渐变阻性加载器设计，解决了天线增益分段调节、尺寸小型化的问题。

本实施例中，可选地，螺旋辐射器的所述圆锥螺旋线采用对数螺旋，其极坐标方程为：

r＝r₀e^bφ (1)，

圆锥螺旋线段的两条螺旋臂中，其中一条螺旋臂的边缘为r₁和r₂、另一条螺旋臂的边缘为r₃和r₄，

r₁＝r₀e^bφ，r₂＝r₀e^b(φ-δ)； (2)

r₃＝r₀e^b(φ-π)，r₄＝r₀e^b(φ-π-δ) (3)，

式(1)-式(3)中，b＝αsinθ₀＝sinθ₀/tanα，r是从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径，α是螺旋的切线与圆锥母线间的夹角，即螺旋角，θ₀为圆锥面的锥角，

为极坐标角度；所述圆锥螺旋线从其始端点(r₀,φ₀＝0)开始在圆锥面上展开，且在展开过程中α角始终保持不变；

配合参见图3，以圆锥螺旋线段所在圆锥面和柱状螺旋线段所在圆柱面的交面中心点为坐标原点O、以经过坐标原点O为交点建立X轴和Y轴、以垂直于所述交面切经过坐标原点O的方向为Z轴建立空间直角坐标系，在该空间直角坐标系中表达柱状螺旋线段的方程为：

ρ＝ρ₀ (4)

式(4)-式(5)，ρ为极坐标半径，即点在XOY面上投影距离坐标原点O的距离，

为极坐标角度，即点在XOY面上投影与X轴夹角，p₀为半径，θ为螺旋线外包络与X轴夹角。

本方案还提供一种如前述的螺旋天线的制造方法，其包括以下步骤：

制作支撑介质，使支撑介质的支撑面包括圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面；

将导电材料用印制的方式印制在所述支撑面上，以形成附着于所述圆锥面上的圆锥螺旋线段和附着于所述圆柱面上的柱状螺旋线段。

配合参见图4，本实施例还提供一种用于螺旋天线的支撑介质，所述支撑介质用于支撑辐射器的支撑面包括圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面。本实施例中，所述支撑介质为中空的壳状结构，所述支撑介质包括相互连接的锥壳和柱壳，设置为中空，可方便其内布设馈电网络、宽带渐变阻性加载器等结构。

图4中，所述圆锥面包括多个依次连接的锥段23，且各锥段的锥角彼此不等，如图示的，圆锥面有3个锥段。各锥段的螺旋角还可设置为不全相等。该设置可实现对不同频段波束宽度及增益的调节。减小圆锥角或增加螺旋角，波束宽度将减小，方向性会增加。锥角变化优选±5°。

当然，在其他实施方式中，也可仅有一个锥段，即锥角保持不变。

本实施例还提供一种基于上述技术方案的实际设计方案：

设计了一个10：1带宽的螺旋天线，工作在0.8GHz～8GHz，天线径向尺寸95mm，比传统天线减小了30％。其设置有三个锥段，从锥顶向下的第一个锥段锥角＝9.5°、螺旋角＝80°，第二个锥段锥角＝14.5°、螺旋角＝80°，第三个锥段锥角＝16°、螺旋角＝79°。从靠近锥顶向下的方向上，宽带渐变阻性加载器阻抗特性从10Ω变化到50Ω，阻性单元尺寸4mm，间隔6mm。

本方案中的螺旋天线与传统天线驻波对比图见图5，方向图对比见图6、图7和图8。

由此验证，本方案中的螺旋天线采用了宽带平衡馈电网络及宽带渐变阻性加载器，提高了天线的方向图性能，缩小了天线的尺寸。设计了宽带渐变阻性加载器，能够更好的对天线末端电流进行匹配吸收，该结构阻性逐渐增强，实现了对末端电流的较好匹配。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种螺旋天线，其特征在于：

包括支撑介质、螺旋辐射器、馈电网络和宽带渐变阻性加载器；

所述支撑介质为中空的壳状结构，其包括相互连接的锥壳和柱壳；所述支撑介质的外表面为由圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面构成的支撑面；

所述螺旋辐射器为由对称的两条螺旋臂构成的螺旋结构，且所述螺旋辐射器包括圆锥螺旋线段和连接在圆锥螺旋线段后端的柱状螺旋线段；所述圆锥螺旋线段附着于所述支撑介质的圆锥面上、所述柱状螺旋线段附着于所述支撑介质的圆柱面上；

所述馈电网络位于壳状的所述支撑介质的内部，且所述馈电网络的一端电连接于所述圆锥螺旋线段的锥端、另一端用于连接外接电路；

所述宽带渐变阻性加载器设置在所述支撑介质的柱壳的内壁处，且在从其靠近锥壳锥顶一端到另一端的方向上，所述宽带渐变阻性加载器的阻值逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于：

所述锥壳包括多段依次连接的锥段，各锥段的锥角彼此不等。

3.根据权利要求2所述的螺旋天线，其特征在于：

所述圆锥螺旋线采用对数螺旋，其极坐标方程为：

r＝r₀e^bφ (1)，

圆锥螺旋线段的两条螺旋臂中，其中一条螺旋臂的边缘为r₁和r₂、另一条螺旋臂的边缘为r₃和r₄，

r₁＝r₀e^bφ，r₂＝r₀e^b(φ-δ)； (2)

r₃＝r₀e^b(φ-π)，r₄＝r₀e^b(φ-π-δ) (3)，

式(1)-式(3)中，b＝αsinθ₀＝sinθ₀/tanα，r是从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径，α是螺旋的切线与圆锥母线间的夹角，θ₀为圆锥面的锥角，

为极坐标角度；所述圆锥螺旋线从其始端点(r₀,φ₀＝0)开始在圆锥面上展开，且在展开过程中α角始终保持不变；

以圆锥螺旋线段所在圆锥面和柱状螺旋线段所在圆柱面的交面中心点为坐标原点O、以经过坐标原点O为交点建立X轴和Y轴、以垂直于所述交面且经过坐标原点O的方向为Z轴建立空间直角坐标系，在该空间直角坐标系中表达柱状螺旋线段的方程为：

ρ＝ρ₀ (4)

式(4)-式(5)，ρ为极坐标半径，即点在XOY面上投影距离坐标原点O的距离，

为极坐标角度，即点在XOY面上投影与X轴夹角，p₀为半径，θ为螺旋线外包络与X轴夹角。

4.根据权利要求3所述的螺旋天线，其特征在于：

所述圆锥螺旋线段所在圆锥面包括多段依次连接的锥面，各锥面的锥角彼此不等。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的螺旋天线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

制作支撑介质，使支撑介质的支撑面包括圆锥面和连接于圆锥面大端之下的圆柱面；

将导电材料用印制的方式印制在所述支撑面上，以形成附着于所述圆锥面上的圆锥螺旋线段和附着于所述圆柱面上的柱状螺旋线段。

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