CN116073116B - 一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，属于宽带辐射天线技术领域，包括螺旋线基体和反射腔；螺旋线基体为正弦折叠螺旋线结构，其展开后线型为正弦曲线，螺旋线基体的中心线高度随匝数呈指数增加；螺旋线基体一端通过馈电点与所述反射腔连接，另一端伸出所述反射腔外部。本发明通过引入了指数渐变螺距结构，提高了天线的圆极化特性；同时加载了反射腔，使得在不增加螺旋天线体积的同时增加了天线增益。与传统螺旋天线对比，本发明的天线体积减小了约50%，且其电场增益、辐射带宽、圆极化特性等辐射特性均优于传统螺旋天线，作为电磁脉冲的辐射装置能够发挥更好的效果。

Description

一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线

技术领域

本发明属于宽带辐射天线领域，具体涉及一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线。

背景技术

在电站最小安全系统电磁脉冲威胁评估和防护研究中，轴向模螺旋天线作为电磁脉冲的辐射装置，起到关键的作用。轴向模螺旋天线具有辐射带宽宽，天线增益高，易于组阵，且具有良好的圆极化辐射特性等优点，被广泛应用在天文探测、卫星通信、高功率微波技术等领域。

然而，为了实现电磁脉冲的轴向模辐射，螺旋天线的周长C往往等于其中心频率f对应的波长λ。这就意味着在低频辐射时，螺旋天线的尺寸会变得很大。这就限制了螺旋天线在某些体积受限场合下的使用。此外，螺旋天线的体积太大，也会造成生产加工困难。因此，很有必要对螺旋天线进行小型化设计。

螺旋天线实现轴向模辐射需满足条件：

C=λ

进一步地，可转化为:

C=v/f

式中，v为螺旋线上电磁波传播速度，空气中，该速度等于光速，λ是波长，f是频率，C为周长。

从上式可以看出，为了实现螺旋天线小型化，一方面可以尽量减小螺旋天线上电磁传播速度v，另一方面可以增加螺旋线在有限体积内的周长C，这也是目前螺旋天线小型化设计的两种主要技术路线。为减慢螺旋线上的电磁脉冲传播速度，可通过在螺旋线中加载了各类高介电常数的介质，绝缘油等实现。后一种主要是对螺旋天线折叠化设计，以增加单位体积内螺旋线周长。虽然，研究人员关于螺旋天线小型化设计已经做了大量工作，但是天线的小型化往往是以牺牲天线的辐射性能（天线增益、圆极化特性或辐射带宽）为代价的。

发明内容

为解决天线的小型化问题，本发明提供一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，该天线实现天线小型化设计的同时，具有高增益、宽辐射带宽和良好的圆极化特性，作为电磁脉冲的辐射装置能够发挥更好的效果。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，包括螺旋线基体和反射腔；

所述螺旋线基体为正弦折叠螺旋线结构，其展开后线型为正弦曲线，螺旋线基体的中心线高度随匝数呈指数增加；所述螺旋线基体一端通过馈电点与所述反射腔连接，另一端伸出所述反射腔外部。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋线基体满足如下参数方程：

其中，x、y、z为螺旋线的三维坐标，D为螺旋直径，n为匝数，N为每匝螺旋的正弦周期数，A为正弦振幅，a、b为指数螺距变化参数，e为自然常数。

作为本发明的进一步改进，所述螺旋线基体的馈电端前1/4圈平行于所述反射腔。

作为本发明的进一步改进，所述反射腔为金属腔体。

作为本发明的进一步改进，所述反射腔为长方体结构，所述螺旋线基体延伸方向与反射腔平面垂直。

作为本发明的进一步改进，所述馈电点与反射腔中心的连线和反射腔中心线形成夹角θ，夹角θ为45°。

作为本发明的进一步改进，所述正弦折叠螺旋天线的阻抗匹配带宽为0.43GHz~1.02 GHz。

与现有的螺旋天线设计相比，本发明具有如下优点：

本发明的螺旋线基体通过对螺旋线进行正弦折叠化设计实现了天线体积小型化，通过引入了指数渐变螺距结构，提高了天线的圆极化特性。进一步地，加载了反射腔，使得在不增加螺旋天线体积的同时增加了天线增益，作为电磁脉冲的辐射装置能够发挥更好的效果。与传统螺旋天线对比，本发明的天线体积减小了约50%，且其电场增益、辐射带宽、圆极化特性等辐射特性均优于传统螺旋天线。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：

图1为本发明的正弦折叠螺旋天线（不包括阻抗匹配段）结构示意图；

图2为本发明的正弦折叠螺旋天线和传统螺旋天线展开结构对比图；

图3为本发明中加载反射腔的正弦折叠螺旋天线的三维结构图；

其中，1为螺旋线基体，2为反射腔，3为馈电点。

图4为本发明中天线激励脉冲波形；

图5为本发明中天线和传统螺旋天线远场电场波形对比图；

图6普通螺旋天线的远场电场矢端图；

图7为本发明中天线的远场电场矢端图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

设计天线时，加载介质虽然可以有效减小螺旋天线体积，但会使得损耗增加，影响天线辐射效率。因此，本发明采取一种折叠螺旋结构以实现具有良好辐射特性的小型化天线的设计目标。

如图1和图3所示，本发明提供了一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，包括螺旋线基体1和反射腔2；

所述螺旋线基体1为正弦折叠螺旋线结构，其展开后线型为正弦曲线，螺旋线基体1的中心线高度随匝数呈指数增加；所述螺旋线基体1一端通过馈电点3与所述反射腔2连接，另一端伸出所述反射腔2外部。

传统螺旋天线螺旋线展开后线型为直线，本发明则采取了正弦折叠螺旋线结构，其展开后线型为正弦曲线。在相同口径面对应的直径下，本发明采用正弦折叠结构后，螺旋线长度大大增加。

参见图2本发明的正弦折叠螺旋天线和传统螺旋天线展开结构对比图，可以看出，相同螺旋线周长下，正弦折叠螺旋天线所需的口径面更小，天线的尺寸得以减小。

由于正弦曲线为光滑过渡曲线，本发明采用正弦折叠结构可以避免螺旋线上出现折点，这既有利于天线的阻抗匹配特性，也避免了天线在高功率电压输出时出现极不均匀场放电。

优化设计后，正弦折叠螺旋天线的体积大大缩减，但天线圆极化特性变差。为提高正弦折叠螺旋天线的圆极化特性，在其基础上引入指数变化螺距，即螺旋线的中心线高度随匝数呈指数增加。引入指数螺距后，正弦折叠螺旋天线体积未发生改变，辐射带宽和增益特性也未受到影响，但其圆极化特性得到很大改善。

为进一步提高天线增益，本发明使用反射腔2结构替代接地板。引入反射腔2后，天线辐射电场波瓣变窄，主轴方向的电场增益得以提高，且天线的总体积未增加。

故而，本发明提供的基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线主要包括指数变化螺距的螺旋线基体1和反射腔2。

本发明给出的螺旋线基体1满足如下参数方程为：

其中，x、y、z为螺旋线的三维坐标，D为螺旋直径，n为匝数，N为每匝螺旋的正弦周期数，A为正弦振幅，a、b为指数螺距变化参数，e为自然常数。为使螺旋不同匝数之间留有足够的绝缘间距，N应为整数。

本发明中螺旋天线的匹配结构与普通螺旋天线一致，为1/4圈平行于接地面的螺旋线。

为满足具体应用场景，所述反射腔2为一体积受限的长方体结构的金属腔体，底面为矩形。

为使本发明实施例的技术方案、优点更加清楚，下面结合本发明实施例的附图，对技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例

本发明给出一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线（不包括阻抗匹配段），如图1所示，为增加有限体积内的螺旋线长度，螺旋线采用正弦折叠结构。为提高天线的圆极化辐射特性，该正弦折叠螺旋天线的螺旋线基体1引入了指数渐变间距。传统螺旋天线展开后，其螺旋线为斜率固定的直线，而本发明的螺旋线基体1展开后，其螺旋线轴线随匝数呈指数增加，螺旋线在轴线上呈正弦变化，如图2所示。

本实施例中，该正弦折叠螺旋天线中心频率选定为500MHz。经仿真优化，该正弦折叠螺旋天线的螺旋线匝数n为2.5圈，螺旋直径D为140mm，每匝螺旋的正弦周期数N为6，正弦振幅A为18mm。指数螺距变化参数a,b分别为164.23和0.48，在此参数配置下，螺旋线基体1轴长L为375mm，螺旋线随匝数变化的上升角在不断变大，螺旋线第一圈的螺距S ₁为100mm，而螺旋线第二圈的螺距S ₂增加为163.5mm。另外，考虑加工的制造工艺和螺旋结构的强度，螺旋线直径d为4mm。为了方便对比，对于500MHz中心频率的传统螺旋天线也进行了设计。

根据经验公式，螺旋线基体1的螺旋直径为192mm（对应螺旋周长为中心频率对应的波长600mm），螺旋升角为14°（螺旋升角一般选12°~16°），2.5匝的螺旋线基体1轴长L同样为375mm。与相同匝数的传统螺旋天线相比，本发明的正弦折叠螺旋天线的体积减小了约50%。

为进一步增加天线增益，本发明采用金属材质的反射腔2替换了原本的接地板结构，加载反射腔2的基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线三维图如图3所示。受限于应用场合，反射腔2的口径面尺寸不能超过300mm×210 mm。经仿真优化，本发明中天线后端加载了长度l为300mm，宽度w为210mm，高度h为30mm的长方体的反射腔2。加载反射腔2后，天线增益得到了有效提高。另外，由于长方体的反射腔2不是中心对称的，螺旋线基体1和反射腔2的相对转角对天线的辐射性能也有很大影响。最终确定，馈电点3和反射腔2中心连线和长方体腔体中心线的夹角θ为45°。此时，本发明基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线具有较高的电场增益和最佳的圆极化特性。

随后，对本发明基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线和普通螺旋天线的辐射性能进行了试验对比。由于接地板尺寸受限，传统螺旋天线阻抗特性受到很大影响，经测量其阻抗匹配带宽为0.48GHz~0.6 GHz，比带宽仅为1.25，远小于其典型匹配频带比带宽2。本发明提出的基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线阻抗匹配带宽为0.43GHz~1.02 GHz，匹配带宽低频截止频率基本与传统螺旋天线一致，但其高频匹配特性则大大优于传统螺旋天线，其比带宽为2.37。

宽带、超宽带天线常用远场有效电势增益来评估天线增益。远场有效电势增益G _ep为rE _p/U _p，其中，r代表天线远场中某点距离天线的距离，E _p代表该点处的电场峰值，U _p为激励脉冲电压幅值。图4为天线的激励脉冲电压波形，其幅值为5.5kV，脉冲前沿为172ps，脉冲底宽约为2ns。在此脉冲激励下，试验测得传统螺旋天线轴向方向5m远处（远场）的电场波形如图5所示，电场幅值为0.50 kV/m。经计算，普通螺旋天线的远场有效电势增益G _ep为0.45。而本发明的天线的5m远处（远场）的电场幅值可达0.62kV/m，得到其远场有效电势增益G _ep为0.56，高出普通螺旋天线约22%。需要注意的是，由于螺旋天线辐射电场为圆极化电场，为方便计算天线增益，图5中的电场波形为圆极化电场的幅度波形。

天线远场辐射电场矢端图可以在时域上对天线的圆极化特性进行评估，电场矢端图的横坐标为电场横向分量，纵坐标为电场纵向分量，反之亦可；且电场的两个分量必须在同一时基下。天线电场矢端图的外廓越接近一个圆，天线的圆极化特性越好。定义电场矢端图外廓的拟合椭圆的长轴和短轴长度之比为轴比AR，轴比越接近1，天线圆极化特性越好。

根据试验结果，得到普通螺旋天线和本发明的正弦折叠螺旋天线的电场矢端图分别如图6和图7所示。图中横坐标为天线轴向5m远处电场的E _x 分量，纵坐标为同一点电场的E _y 分量。分别做出两天线远场电场矢端图的拟合椭圆分别如图6和图7中虚线所示，经计算，普通螺旋天线电场矢端图的拟合椭圆的长轴和短轴长度之比即轴比AR为2.61。同样的，本发明的正弦折叠螺旋天线的轴比AR经计算为1.77。因此，本发明的正弦折叠螺旋天线圆极化特性优于普通螺旋天线。

故基于上述内容，本发明的正弦折叠螺旋天线应用在电站最小安全系统(通信设备)的HEMP模拟试验与测量技术中，作为电磁脉冲的辐射装置，能够有效防护GJB8848-2016标准内规定的辐射和传导骚扰信号。

通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (6)

1.一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，包括螺旋线基体和反射腔；

所述螺旋线基体为正弦折叠螺旋线结构，其展开后线型为正弦曲线；所述螺旋线基体的中心线高度随匝数呈指数增加；所述螺旋线基体一端通过馈电点与所述反射腔连接，另一端伸出所述反射腔外部；

所述螺旋线基体满足如下参数方程：

其中，x、y、z为螺旋线的三维坐标，D为螺旋直径，n为匝数，N为每匝螺旋的正弦周期数，A为正弦振幅，a、b为指数螺距变化参数，e为自然常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，所述螺旋线基体的馈电端前1/4圈平行于所述反射腔。

3.根据权利要求1所述的一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，所述反射腔为金属腔体。

4.根据权利要求1所述的一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，所述反射腔为长方体结构，所述螺旋线基体延伸方向与反射腔平面垂直。

5.根据权利要求4所述的一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，所述馈电点与反射腔中心的连线和反射腔中心线形成夹角θ，夹角θ为45°。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于指数螺距的正弦折叠螺旋天线，其特征在于，所述正弦折叠螺旋天线的阻抗匹配带宽为0.43 GHz~1.02 GHz。

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