CN113922059A - 一种圆锥螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种圆锥螺旋天线，包括同轴导体、圆锥骨架、双臂金属螺旋线、天线保护盖以及圆形接地板。其中，同轴导体包括匹配槽、内导体以及外导体，且内导体与外导体通过馈电螺钉连接，同轴导体的底部连接至圆形接地板。圆锥骨架套设于同轴导体的外部，并固定于圆形接地板上。双臂金属螺旋线缠绕于圆锥骨架上，且与同轴导体的顶部连接。天线保护盖包覆同轴导体的顶部。以及圆形接地板的底部连接有SMA连接器。

Description

一种圆锥螺旋天线
技术领域
本发明涉及卫星测控技术领域，特别涉及一种圆锥螺旋天线。
背景技术
人造卫星是迄今为止全球发射数量最多、应用最广的航天器，主要应用于科学、军事、通信、导航等多个领域。伴随着通信技术、轻型材料等技术发展，使得微小卫星的研制成为了当今全球航天领域的热点。相比于传统的大体积卫星，一系列微小卫星网络通过任务分解，极大地增加了整个卫星系统的灵活性，降低了严重事故导致任务失败的概率。微小卫星拥有体积小，重量轻，研发成本较低和研发周期短等特性，得到了当今世界各国广泛的研制应用。
在微小卫星系统中，遥测、跟踪以及遥控系统(TTC)是非常关键的一部分，它负责将卫星坐标等数据信息传送给地面站，同时接收来自地面站的命令。在TTC系统中，测控天线是最为关键部分之一，其通常工作在S波段(2-2.3GHz)，要求有着圆极化、宽波束等特点。随着微小卫星研制应用越来越多，卫星任务越来越复杂，对卫星测控天线的包络尺寸要求也随之越来越严苛。受限于空间，传统的螺旋天线已经不能完全满足微小卫星天线安装要求。
针对这一问题，例如可采用顶馈背射螺旋天线替代传统的螺旋天线，所述顶馈背射螺旋天线不需要巨大的地板，因此包络较小。又例如，还可使用半球形螺旋天线，其可以进一步减小了包络尺寸，但是整个螺旋线只有小部分是嵌在骨架中固定，在卫星发射高振动环境下，整个天线结构并不坚固。基于此，一些锥形结构的螺旋天线设计被提出。例如彭兰、张小刚、曹军在2015年全国微波毫米波会议中提到的一种超宽带高增益圆锥螺旋天线的设计，以及臧洪明、雷泽斌、赵海明在2019年全国天线年会提出的一种超宽带宽波束圆极化天线等，这类天线拥有超宽带、宽波束圆极化的特性，但高度尺寸依旧很大。专利申请201510264619.8中公开了一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，其采用四臂螺旋形式实现高效率小型化，但是其复馈电网络以及匹配方式复杂，馈电网络印刷在介质表面暴露在空间中，其应用主要针对卫星通信地面终端，并不适合于星载天线。专利申请201921513905.3中则公开了一种圆锥螺旋天线结构，其更为坚固，能有效提高圆锥螺旋天线旋臂稳定性，但是其依旧需要较大的接地板面积，顶端馈电为弯曲探针形式，装配难度大，且未阐述天线匹配实现方式和天线的设计方法。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种圆锥螺旋天线，其结合了顶馈背射形式和圆锥螺旋结构，包括：
同轴导体，包括匹配槽、内导体以及外导体，其中所述内导体与外导体通过馈电螺钉连接，所述同轴导体的底部连接至圆形接地板；
圆锥骨架，套设于所述同轴导体外部，并固定于圆形接地板上；
双臂金属螺旋线，缠绕于所述圆锥骨架上，且与所述同轴导体的顶部连接；
天线保护盖，包覆所述同轴导体的顶部；以及
圆形接地板，包括SMA连接器，所述SMA连接器连接至所述圆形接地板的底部。
进一步地，所述匹配槽为长方形，其长度及宽度根据阻抗匹配需求确定。
进一步地，所述双臂金属螺旋线通过两个销钉与所述同轴导体连接，所述两个销钉相对于所述同轴导体对称分布。
进一步地，所述销钉通过螺纹连接的方式连接至所述同轴导体外表面，以及所述双臂金属螺旋线通过所述销钉的顶部的圆形凹槽穿入弯曲焊接。
进一步地，所述圆锥骨架通过螺钉连接至所述圆形接地板，和/或
所述天线保护盖通过螺钉连接至所述同轴导体。
进一步地，所述圆形接地板的直径等于所述圆锥骨架的底部的直径。
进一步地，所述双臂金属螺旋线的螺距为0.25λ，其中，λ为所述圆锥螺旋天线的工作波长。
进一步地，所述圆锥骨架的锥角在20至24度之间。
进一步地，所述天线保护盖为圆柱结构，且材料为聚酰亚胺。
本发明另一方面还提供一种卫星，其包括如前所述的圆锥螺旋天线。
本发明提供的一种圆锥螺旋天线，采用了顶馈背射形式和圆锥螺旋结构，以解决测控天线低包络、宽波束、圆极化的技术问题。所述圆锥螺旋天线的圆形接地板直径和圆锥骨架下表面直径相同，螺旋线圆锥缠绕和同轴导体顶馈背射，有效地缩小了整个天线的包络尺寸，满足了微小卫星测控天线低剖面的包络要求。其双臂螺旋结构的螺距等于0.25λ，圆锥锥角在20度至24度之间，还能有效展宽波束，实现出色的圆极化特性，满足微小卫星测控天线的宽波束圆极化特性要求。此外，所述圆锥螺旋天线的同轴导体和圆形接地板一体加工；螺旋线穿过金属销钉圆形凹槽弯曲焊接固定；天线保护盖通过螺钉固定在同轴导体顶端，包裹天线顶部裸露结构；馈电螺钉连接同轴内外导体；天线结构紧凑坚固，易于加工装配，能够满足星载天线的结构设计要求。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例的同轴导体的结构示意图；
图3示出本发明一个实施例的销钉的结构示意图；
图4示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的实测驻波比曲线；
图5示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的实测增益-频率曲线图；
图6示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的实测半功率波束宽度-频率曲线图；
图7示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的实测轴比-频率曲线图；以及
图8示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线在2.15GHz实测轴比曲线图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
在本说明书中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本说明书中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本说明书的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本说明书的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本说明书的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本说明书中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
为了面向卫星测控领域，提供一种应用于微小卫星遥测、跟踪以及遥控系统的圆极化、宽波束、低剖面的测控天线，以解决现有微小卫星中的测控天线低包络、宽波束、圆极化的技术问题，本发明提供一种圆锥螺旋天线，其采用顶馈背射形式和圆锥螺旋结构，有效地缩小了整个天线的包络尺寸；并采用同轴导体作为天线支撑同时实现天线匹配，使得结构紧凑、天线刚性强；此外，采用双臂螺旋结构设计，所述双臂螺旋结构的螺距等于中心工作频点0.25λ，圆锥锥角为20度至24度之间，还能够有效展宽波束，实现出色的圆极化特性。下面结合实施例附图，对本发明的方案做进一步描述。
图1示出本发明一个实施例的一种圆锥螺旋天线的结构示意图。如图1所示，一种圆锥螺旋天线，包括圆锥骨架101、双臂金属螺旋线102、同轴导体103、天线保护盖104、圆形接地板105以及SMA连接器106。其中，所述圆锥骨架101套设于所述同轴导体103的外部，并固定于所述圆形接地板105上，所述双臂金属螺旋线102缠绕于所述圆锥骨架101上，且与所述同轴导体103的顶部连接，所述天线保护盖104包覆所述同轴导体103的顶部，以及所述圆形接地板105设置于所述同轴导体103的底部，所述SMA连接器106连接至所述圆形接地板105的底部。
所述圆锥骨架101例如可采用环氧3642材料制成。在本发明的一个实施例中，所述圆锥骨架101通过螺纹连接的方式与所述圆形接地板105连接，具体而言，例如可通过四颗螺钉115231固定连接至所述圆形接地板105。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，也可采用其他本领域常用的连接方式，实现所述圆锥骨架101与所述圆形接地板105的连接。在本发明的一个实施例中，所述圆锥骨架101的锥角优选为20至24度之间。
图2示出本发明一个实施例的同轴导体的结构示意图。如图2所示，所述同轴导体103包括匹配槽301、内导体302以及外导体303，其中，所述内导体302与外导体303通过馈电螺钉304连接。所述匹配槽例如可为长方形，且其长度及宽度根据阻抗匹配需求确定。如图2所示，所述同轴导体103的顶部还设置有两个销钉123，所述两个销钉相对于所述同轴导体103对称布置，其用于连接所述双臂金属螺旋线102。
所述双臂金属螺旋线102按照预设螺距缠绕于所述圆锥骨架101的表面，然后通过所述销钉123与所述同轴导体103连接。其中，在本发明的一个实施例中，所述螺距优选等于所述圆锥螺旋天线的预设中心工作频点，即0.25λ，其中，λ为所述圆锥螺旋天线的预设工作波长。图3示出本发明一个实施例的销钉的结构示意图。如图3所示，所述销钉包括连接为一体的上下两部分。其中，上部分用于连接所述双臂金属螺旋线102，在本发明的一个实施例中，所述销钉123的上部分蚀刻有圆形凹槽231，所述双臂金属螺旋线102从所述圆形凹槽穿入弯曲焊接。下部分232则用于与所述同轴导体103连接，在本发明的一个实施例中，所述销钉123的下部分设置有内螺纹结构，进而使得其能够通过螺纹连接的方式连接至所述同轴导体103的外表面。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，还可采用本领域其他常用的连接方式，实现双臂金属螺旋线102与同轴导体103的连接。
在本发明的一个实施例中，所述圆形接地板105与所述同轴导体103一体加工实现，如图2所示。且所述圆形接地板105的直径优选等于所述圆锥骨架101的底面的直径。而所述天线保护盖104优选为圆柱结构，其包裹住所述圆锥螺旋天线顶部的裸露结构，进而有效提高天线稳定性。在本发明的一个实施例中，所述天线保护盖104采用聚酰亚胺材料制成，且通过例如螺纹连接的方式与所述同轴导体103连接。
下面结合某天线的测试结果，对本发明中的圆锥螺旋天线性能做进一步描述。其中，用于测试的天线的具体结构如下：
包括圆锥骨架，双臂金属螺旋线，同轴导体，天线保护盖，圆形接地板和SMA连接器。其中，所述圆锥骨架采用环氧3642材料制成，且其上表面的直径为17mm，下表面的直径为80mm，锥角为20.1度。所述圆锥骨架套设于所述同轴导体上，并通过四个螺钉固定至所述圆形接地板。所述双臂金属螺旋线的直径为2mm，螺距为34.4mm，螺旋圈数为2.5。所述同轴导体的内导体半径为1mm，外导体半径为2.3mm。所述天线保护盖的材质是聚酰亚胺，其置于所述同轴导体的顶部，并通过螺钉与所述同轴导体相连。所述圆形接地板直径和所述圆锥骨架的下表面直径相等，为80mm，且厚度为3mm。同时，所述同轴导体上设置有匹配槽，馈电螺钉和两个金属销钉。所述匹配槽长29mm，宽2.2mm。所述馈电螺钉直径为2mm，用于连接所述同轴导体的内导体和外导体。以及所述两个金属销钉相对于所述同轴导体对称，且每个金属销钉的顶部设置有蚀刻圆形凹槽，供所述双臂金属螺旋线从中穿入弯曲焊接，而所述两个金属销钉的底部为螺纹结构，以用于与所述同轴导体的外表面连接。
图4-8分别示出该天线的实测驻波比曲线、实测增益-频率曲线图、实测半功率波束宽度-频率曲线图、实测轴比-频率曲线图以及在2.15GHz实测轴比曲线图。可以看出，所述天线的包络尺寸为φ80mm*100mm，剖面低、包络小。且其在2GHz-2.3GHz全频段实现VSWR<2，增益大于4.5db，半功率波束宽度大于102度，最大可高达128度，轴比皆小于1.8dB，3dB轴比带宽大于110度，具有出色的宽波束圆极化特性，能够满足微小卫星测控天线的低剖面的包络要求，以及宽波束圆极化特性要求。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种圆锥螺旋天线，其特征在于，包括：
同轴导体，包括匹配槽、内导体以及外导体，其中所述内导体与外导体通过馈电螺钉连接，所述同轴导体的底部连接至圆形接地板；
圆锥骨架，套设于所述同轴导体外部，并固定于圆形接地板上；
双臂金属螺旋线，缠绕于所述圆锥骨架上，且与所述同轴导体的顶部连接；
天线保护盖，包覆所述同轴导体的顶部；以及
圆形接地板，包括SMA连接器，所述SMA连接器连接至所述圆形接地板的底部。
2.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述匹配槽为长方形，其长度及宽度根据阻抗匹配需求确定。
3.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述双臂金属螺旋线通过两个销钉与所述同轴导体连接，所述两个销钉相对于所述同轴导体对称分布。
4.如权利要求3所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述销钉通过螺纹连接的方式连接至所述同轴导体外表面，以及所述双臂金属螺旋线通过所述销钉的顶部的圆形凹槽穿入弯曲焊接。
5.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述圆锥骨架通过螺钉连接至所述圆形接地板，和/或
所述天线保护盖通过螺钉连接至所述同轴导体。
6.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述圆形接地板的直径等于所述圆锥骨架的底部的直径。
7.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述双臂金属螺旋线的螺距为0.25λ，其中，λ为所述圆锥螺旋天线的工作波长。
8.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述圆锥骨架的锥角在20至24度之间。
9.如权利要求1所述的圆锥螺旋天线，其特征在于，所述天线保护盖为圆柱结构，且材料为聚酰亚胺。
10.一种卫星，其特征在于，包括如权利要求1至9任一所述的圆锥螺旋天线。
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