CN113131201A - 一种自抵消式全向圆极化螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，包括至少两段螺旋线段和馈电端口；两段相邻的螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，螺旋线段与自抵消结构的连接点处为电流反向点；两段螺旋线段和自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；自抵消结构包括至少两段自抵消线段，自抵消线段通过连接线段连接，且相邻的两自抵消线段的电流方向相反；馈电端口设在处于天线中间位置上的螺旋线段或所述抵消结构上。通过上述技术方案，使得螺旋线段上的电流方向一致，获得了比传统半波长螺旋更高的辐射电阻，更容易与50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

Description

一种自抵消式全向圆极化螺旋天线

技术领域

本申请涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种自抵消式全向圆极化螺旋天线。

背景技术

螺旋天线是一种螺旋形状的天线，它可由导电性能良好的金属导线绕制而成，其结构参数可以用圆周直径d、相邻螺旋线间距离s和螺旋圈数n表示。按其辐射模式可分为轴向模和法向模辐射两种，其中，轴向模螺旋要求螺旋线圆周长πd约为一个波长，则辐射最强的方向在螺旋的轴向；法向模螺旋要求螺旋线的圆周直径d远远小于一个波长，则辐射最强的方向在垂直于螺旋轴的平面上。

螺旋天线的主要极化方式为圆极化，与其他类型的圆极化天线相比，由于螺旋天线的极化带宽较宽且极化性能稳定，常被应用于众多无线系统中，通常以轴比小于3dB为圆极化的认定标准。

随着人们对螺旋天线的要求越来越严格，也提出了小型化的螺旋天线，而螺旋天线实现小型化的主要技术之一是使用法向模螺旋天线。例如应用于移动电话频段的总长为λ/4的法向模螺旋天线，其辐射电阻很低，仅比λ/4长的单极子天线高几个欧姆，而传统的总长为λ/2法向模螺旋天线辐射电阻也仅仅只有几个欧姆。

公开号为CN1983715B的中国发明专利公开了一种法向模螺旋手机天线提出了法向模螺旋天线通过镀金以及使用内膜和外膜来增加辐射效率和增益，但是，其结构较为复杂。

同时，市场还有的法向模天线通过组成阵列来提高辐射电阻，但是却大大增加了天线的尺寸以及成本，这往往会带来额外的损耗而降低天线效率，因而限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用。

同时，传统圆极化法向模螺旋天线因辐射电阻很低，阻抗带宽极窄，与常用的50欧姆同轴线难以匹配，这意味着需要仔细的调整和使用匹配网络，这往往会带来额外的损耗而降低天线效率，并在一定程度上影响了天线的圆极化特性，因而限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用。

发明内容

本申请提供了一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，用于解决辐射电阻很低，阻抗带宽极窄，且与常用的50欧姆同轴线难以匹配，导致的限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，包括至少两段螺旋线段和馈电端口；

两段相邻的所述螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，所述螺旋线段与所述自抵消结构的连接点处为电流反向点；

两段所述螺旋线段和所述自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

所述自抵消结构包括至少两段自抵消线段，所述自抵消线段的数量为偶数，相邻的所述自抵消线段通过连接线段连接，且相邻的两所述自抵消线段的长度相等且电流方向相反；

所述馈电端口设于螺旋天线的中间位置处。

优选地，所述螺旋线段的数量为N个，N≥2，则所述自抵消结构的数量为N-1个。

优选地，所述自抵消结构为折线型结构或环绕型结构。

优选地，相邻的所述自抵消线段之间的间距小于一个工作波长。

优选地，所述馈电端口具体采用差分馈电端口。

优选地，所述螺旋线段的横截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或棱形。

优选地，所述螺旋线段的圆周的最大直径小于0.18倍的工作波长。

优选地，所述连接线段与所述自抵消线段之间的连接角为弧形或直角。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，包括至少两段螺旋线段和馈电端口；两段相邻的所述螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，所述螺旋线段与所述自抵消结构的连接点处为电流反向点；两段所述螺旋线段和所述自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；所述自抵消结构包括至少两段自抵消线段，所述自抵消线段的数量为偶数，相邻的所述自抵消线段通过连接线段连接，且相邻的两所述自抵消线段上电流方向相反；所述馈电端口设于螺旋天线的中间位置处。

本发明通过两段相邻的螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，螺旋线段与自抵消结构的连接点处为电流反向点，同时，两段螺旋线段和自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长，由于本实施案例为谐振式天线，工作时导线上的电流分布为驻波形式，且相邻半波相位相反，也可表达为电流反向。从而通过在电流反向点后设置自抵消结构，由于自抵消结构包括至少两段自抵消线段，且自抵消线段通过极短的线段连接，其中相邻的两自抵消线段上的电流方向相反，从而自抵消结构中所有自抵消段上的电流在远场产生的电场相抵消，即对天线远场辐射的贡献小，从而整个天线远场特性主要由螺旋线段的辐射决定，而螺旋线段上的电流方向一致，从而增强了天线辐射能力和极化纯度。上述自抵消螺旋天线比传统的半波长螺旋天线和具有相同长度的无自抵消结构的螺旋天线的辐射电阻高，更容易与常用的50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

附图说明

图1为本申请示例一提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的结构示意图；

图2为本申请示例二提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的结构示意图；

图3为本申请示例三提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的仿真归一化方向图；

图5为本申请实施例提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的仿真归一化轴比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，包括至少两段螺旋线段和馈电端口；

两段相邻的螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，螺旋线段与自抵消结构的连接点处为电流反向点；

两段螺旋线段和自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

自抵消结构包括至少两段自抵消线段，自抵消线段的数量为偶数，相邻的自抵消线段通过连接线段连接，且相邻的两自抵消线段的长度相等且电流方向相反；

馈电端口设于螺旋天线的中间位置处。

需要说明的是，两段相邻的螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，螺旋线段与自抵消结构的连接点处为电流反向点，同时，两段螺旋线段和自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长，由于本实施案例为谐振式天线，工作时导线上的电流分布为驻波形式，且相邻半波相位相反，也可表达为电流反向。

综上，本实施例的电流传播方向为，电流以顺(逆)时针方向从第一段螺旋线段开始并流经半个工作波长到达螺旋线段与自抵消结构的连接点后，电流方向发生反向变化为逆(顺)时针方向，再通过自抵消结构的半个波长到达下一个螺旋线段与自抵消结构的连接点后，电流方向恢复为顺(逆)时针方向，从而以顺(逆)时针方向流过第二段螺旋线段，从而使得所有螺旋线段上的电流方向相同，在远场的辐射效果相较于传统半波长螺旋大大增强。由于自抵消结构包括至少两段自抵消线段，且自抵消线段通过极短的线段连接，其中两两自抵消线段上的电流方向相反，从而自抵消结构中所有自抵消段上的电流在远场产生的电场相抵消，即对天线远场辐射的贡献小，从而整个天线远场特性主要由螺旋线段的辐射决定，而螺旋线段上的电流方向一致，从而增强了天线辐射能力和极化纯度。上述自抵消螺旋天线比传统的半波长螺旋天线和具有相同长度的无自抵消结构的螺旋天线的辐射电阻高，，更容易与常用的50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

可以理解的是，自抵消线段的数量若为奇数，则会产生抵消不完全的问题，导致电流反向点的反向电流产生的辐射场相抵消失败，因此，自抵消线段的数量为偶数。

同时，本实施例的馈电端口设于螺旋天线的中间位置处，中间位置处可以为螺旋线段或抵消结构，具体地，馈电端口具体采用差分馈电端口，也即采用差分馈电的方式进行激励，同时，馈电端口处于天线中间位置，可以设置更多段螺旋天线以及电流反向点，从而提高阻抗带宽和增益。

作为本实施例的优选方案，螺旋线段的数量为N个，N≥2，则自抵消结构的数量为N-1个。

作为本实施例的优选方案，自抵消结构为折线型结构或环绕型结构。

作为本实施例的优选方案，相邻的自抵消线段之间的间距小于一个工作波长。

需要说明的是，相邻的自抵消线段间距要远小于工作波长，由于段间电容的影响，电流会产生滞后，自抵消线段的总长度会超过半个波长，但是，电流所流经的长度需恰好等于半个工作波长。

作为本实施例的优选方案，螺旋线段的横截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或棱形。

在其他实施例中，螺旋线段的横截面的形状为其他不规则形状。

作为本实施例的优选方案，螺旋线段的圆周的最大直径小于0.18倍的工作波长。

可以理解的是，螺旋天线工作在法向模模式。

作为本实施例的优选方案，连接线段与自抵消线段之间的连接角为弧形或直角。

以下为本实施例中提供的一种自抵消式全向圆极化螺旋天线的部分具体实施示例。

示例一

请参见图1，示例一中的自抵消式全向圆极化螺旋天线包括三段螺旋线段10、11、12和一个馈电端口3以及两个自抵消结构20、21；

第一段螺旋线段10与第二段螺旋线段11的首尾端之间通过第一个自抵消结构20连接，第二段螺旋线段11与第三段螺旋线段12的首尾端之间通过第二个自抵消结构21连接，且上述三段螺旋线段10、11、12与自抵消结构20、21的连接点处为电流反向点401、402、403、404；

三段螺旋线段10、11、12和两个自抵消结构20、21上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

每个自抵消结构包括六段自抵消线段，相邻的自抵消线段通过极短的垂直线段连接，且相邻的两自抵消线段上的长度相等且电流方向相反，同时，每个自抵消结构均采用折线型结构，即连接线段与自抵消线段之间的连接角为直角。

馈电端口3设在处于螺旋天线的中间位置上的第二段螺旋线段11的中心处。

可以理解的是，由于每个螺旋线段和自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长，且电流反向点401、402、403、404处电流反向，因此，第一段螺旋线段10、第二段螺旋线段11和第三段螺旋线段12上所流经的电流方向同向，将两个自抵消结构20、21设置为折线型结构，由于垂直段会产生辐射，但垂直段的长度设置较短，且相较于整个螺旋天线结构而言极短，因此，虽然抵消小部分的螺旋天线产生的辐射，但所抵消的辐射量小至可以忽略，那么，多组水平段通过极短的垂直线段连接就构成了自抵消结构，且相邻水平段的电流方向就恰好相反和相等，同时，段数为偶数，其中相邻的两自抵消段上的电流方向相反，从而自抵消结构中所有自抵消段上的电流在远场产生的电场相抵消，即对天线远场辐射的贡献小，从而整个天线远场特性主要由螺旋线段的辐射决定，而螺旋线段上的电流方向一致，从而增强了天线辐射能力和极化纯度。上述自抵消螺旋天线比传统的半波长螺旋天线和具有相同长度的无自抵消结构的螺旋天线的辐射电阻高，更容易与常用的50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

示例二

请参见图2，示例二中的自抵消式全向圆极化螺旋天线包括三段螺旋线段13、14、15和一个馈电端口3以及两个自抵消结构22、23；

第一段螺旋线段13与第二段螺旋线段14的首尾端之间通过第一个自抵消结构22连接，第二段螺旋线段14与第三段螺旋线段15的首尾端之间通过第二个自抵消结构23连接，且上述三段螺旋线段13、14、15与两个自抵消结构22、23的连接点处为电流反向点411、412、413、414；

三段螺旋线段13、14、15和两个自抵消结构22、23上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

每个自抵消结构包括两段自抵消线段，两段自抵消线段通过极短的线段连接连接，且相邻的两自抵消线段上的电流方向相反，同时，每个自抵消结构均采用环绕型结构，即连接线段与自抵消线段之间的连接角为弧形。

馈电端口3设在处于螺旋天线的中间位置上的第二段螺旋线段14的中心处。

可以理解的是，由于三段螺旋线段13、14、15和两个自抵消结构22、23上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长，且电流反向点411、412、413、414处电流反向，因此，第一段螺旋线段13、第二段螺旋线段14和第三段螺旋线段15上所流经的电流方向同向，将每个自抵消结构设置为环绕型结构，则使得两段自抵消线段的电流方向恰好相反，轴向高度较低，同时，段数为偶数，从而自抵消结构中所有自抵消段上的电流在远场产生的电场相抵消，即对天线远场辐射的贡献小，从而整个天线远场特性主要由螺旋线段的辐射决定而螺旋线段上的电流方向一致，从而增强了天线辐射能力和极化纯度。上述自抵消螺旋天线比传统的半波长螺旋天线和具有相同长度的无自抵消结构的螺旋天线的辐射电阻高，更容易与常用的50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

示例三

请参见图3，示例三中的自抵消式全向圆极化螺旋天线包括两段螺旋线段16、17和一个馈电端口3以及一个自抵消结构24；

两段螺旋线段16、17的首尾端之间通过自抵消结构24连接，且两段螺旋线段16、17与自抵消结构24的连接点处为电流反向点421、422；

两段螺旋线段16、17和一个自抵消结构24上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

自抵消结构24包括六段自抵消线段，每三段自抵消线段为一组共两组，每组中的相邻的自抵消线段通过极短的垂直线段连接，且相邻的两自抵消线段上的电流方向相反，两组间的自抵消线段为馈电端口，同时，自抵消结构24采用折线型结构。

馈电端口3设在处于螺旋天线的中间位置上的自抵消结构的中心处。

可以理解的是，由于两段螺旋线段16、17和自抵消结构24上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长，且电流反向点421、422处电流反向，因此，两段螺旋线段16、17上所流经的电流方向同向，将自抵消结构24设置为折线型结构，由于垂直段会产生辐射，但垂直段的长度设置较短，且相较于整个螺旋天线结构而言极短，因此，虽然抵消小部分的螺旋天线产生的辐射，但所抵消的辐射量小至可以忽略，那么，多组水平段构成了自抵消结构，两两水平段上的电流方向恰好相反，同时，段数为偶数，从而自抵消结构中所有自抵消段上的电流在远场产生的电场相抵消，即对天线远场辐射的贡献小，从而整个天线远场特性主要由螺旋线段的辐射决定而螺旋线段上的电流方向一致，从而增强了天线辐射能力和极化纯度。上述自抵消螺旋天线比传统的半波长螺旋天线和具有相同长度的无自抵消结构的螺旋天线的辐射电阻高，更容易与常用的50欧姆同轴线进行匹配，从而解决了限制圆极化法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。

为了证明本实施例提供的自抵消式全向圆极化螺旋天线能够满足正常工作在法向模状态以及圆极化，请参见图4和图5，由图4可以看出，图4中在包含螺旋天线的平面上有近似“8’字形方向图，而在垂直于螺旋天线的平面上是近似圆形的方向图，则说明螺旋天线正常工作在法向模状态；由图5可以看出，该螺旋天线在最大辐射方向上辐射圆极化波(轴比小于3dB)，满足圆极化需求。

此外，通过上述多个自抵消式全向圆极化螺旋天线可以构成圆极化天线阵列。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，包括至少两段螺旋线段和馈电端口；

两段相邻的所述螺旋线段的首尾端之间通过自抵消结构连接，所述螺旋线段与所述自抵消结构的连接点处为电流反向点；

两段所述螺旋线段和所述自抵消结构上的预设工作电流所流经的长度均为半个工作波长；

所述自抵消结构包括至少两段自抵消线段，所述自抵消线段的数量为偶数，相邻的所述自抵消线段通过连接线段连接，且相邻的两所述自抵消线段的长度相等且电流方向相反；

所述馈电端口设于螺旋天线的中间位置处。

2.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线段的数量为N个，N≥2，则所述自抵消结构的数量为N-1个。

3.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述自抵消结构为折线型结构或环绕型结构。

4.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，相邻的所述自抵消线段之间的间距小于一个工作波长。

5.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述馈电端口具体采用差分馈电端口。

6.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线段的横截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或棱形。

7.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线段的圆周的最大直径小于0.18倍的工作波长。

8.根据权利要求1所述的自抵消式全向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述连接线段与所述自抵消线段之间的连接角为弧形或直角。

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