CN210129585U - 小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，涉及通信用天线技术领域。包括壳体，所述壳体上形成有上端开口的腔体结构，所述腔体结构的中部形成有向上的凸起，所述腔体内凸起的外周设置有第二吸收体，所述第二吸收体的厚度与所述凸起的高度相同，所述第二吸收体的上侧设置有第一吸收体，所述第一吸收体的上侧设置有支撑体，所述支撑体的上侧设置有天线介质板，所述天线介质板的上表面形成有螺旋天线，天线介质板的中心开设有天线馈电口，所述天线馈电口与平衡器的放置腔体相对应，所述平衡器位于所述放置腔体内。所述螺旋天线具有尺寸小、频带宽，能够提高宽带匹配和性能等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线。
背景技术
随着无线电技术的迅速发展，天线在通信领域发挥着越来越重要的作用，为满足实际的使用需求，天线的超宽带、小型化逐渐成为人们关注的重点。阿基米德平面螺旋天线具有宽频带、低剖面、圆极化、易加工等优点，近几年得到了广泛的关注。轴向螺旋天线是一种常见的圆极化天线，常用于无线和卫星通信系统，但由于是三维结构，在实际使用中需要较多的螺旋圈数，长度较长，很难集成。为了解决这些问题，提出了平面螺旋结构，该结构在较宽的频带范围内有很好的增益及圆极化特性，因此得到了广泛的应用。许多学者也对平面螺旋天线做了研究。现代通信系统对辐射终端的紧凑性提出了要求，阿基米德螺旋天线的小型化也得到了广泛的研究，主要方法是天线口径和天线剖面的小型化。
由于平面螺旋天线的辐射是双向的，但在实际使用中需要天线单向辐射，常在螺旋天线的背面增加背腔。有一种方法是天线的一侧加四分之一波长的金属反射腔，反射腔的加入能够提高天线的增益，提高效率，但同时会对使得天线的带宽变窄，典型的工作带宽为10个倍频。另一种做法是在螺旋平面的一侧装置圆柱形反射腔构成背腔式平面螺旋天线，然后填充吸波材料，这样会导致大约一半的能量没有辐射，通常会降低辐射效率。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种尺寸小、频带宽，能够提高宽带匹配和性能的超宽带平面螺旋天线。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：包括壳体，所述壳体上形成有上端开口的腔体结构，所述腔体结构的中部形成有向上的凸起，所述凸起的中部形成有第二平衡器通道，所述腔体内凸起的外周设置有第二吸收体，所述第二吸收体的厚度与所述凸起的高度相同，且所述第二吸收体的外径与所述壳体的内径相等，所述第二吸收体的上侧设置有第一吸收体，且所述第一吸收体上形成有与所述第二平衡器通道相连通的第一平衡器通道，所述第一吸收体的上侧设置有支撑体，所述支撑体上形成有与所述第一平衡器通道相连通的第三平衡器通道，所述第一平衡器通道、第二平衡器通道以及第三平衡器通道构成平衡器的放置腔体，所述支撑体的上侧设置有天线介质板，所述天线介质板的上表面形成有螺旋天线，天线介质板的中心开设有天线馈电口，所述天线馈电口与平衡器的放置腔体相对应，所述平衡器位于所述放置腔体内，且平衡器的上端与螺旋天线的天线臂的中心电连接，所述平衡器的下端与第二平衡器通道下端的同轴接头电连接。
进一步的技术方案在于：螺旋天线形成的曲线分为低频部分和高频部分，高频部分为非频变的阿基米德螺旋曲线，低频部分为加载正弦波的阿基米德正弦波曲折线，其中阿基米德螺旋曲线的方程为：
其中，r为螺旋曲线矢径长度，r0为矢径的起始半径，a为螺旋曲线的螺旋率，
为螺旋线的螺旋角,
为初始螺旋角；在阿基米德螺旋天线两条臂的中心位置进行馈电，两个馈电点之间的相位差相差180°；阿基米德螺旋随螺旋角按线性比例关系增加；
低频部分阿基米德正弦波曲折线的方程为：
其中，a′为阿基米德正弦波曲折线的螺旋率，
为阿基米德正弦波曲折线的螺旋角，
为起始螺旋角，k为正弦波的振幅，n决定每一圈阿基米德正弦波曲折线中正弦波的周期个数；折线起始点的位置r与折线部分最高频率对应波长λ的关系为：
r＝λ/2π (3)。
进一步的技术方案在于：高频部分的阿基米德螺旋线双臂各旋转13圈，其矢径为24mm；低频部分的阿基米德正弦波曲折线双臂各旋转13圈，其矢径为93mm；螺旋曲线双臂的宽度均为1mm，天线口径为117mm；天线介质板采用PTFE介质板加工，低频曲线和高频曲线蚀刻在所述介质板上。
优选的，所述壳体使用铝材料制作。
优选的，所述同轴接头为SMA接头。
优选的，所述第一吸收体的网孔密度大于所述第二吸收体的网孔密度，所述第一吸收体用于吸收高频信号，所述第二吸收体用于吸收低频信号。
优选的，所述支撑体使用透波材料制作。
优选的，所述螺旋天线的工作频率范围为1GHz-18GHz，天线口径小于120mm，高度低于90mm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1)小型化：本申请所述螺旋天线中采用阿基米德螺旋曲线和阿基米德正弦波曲折线相结合的方式，将低频部分的螺旋线进行曲折处理。从而在相同的工作带宽内缩小了天线的口径，使得所述超宽带螺旋天线的口径直径为可以降低到117mm。2)可实现超宽带的同时具有良好辐射性能：本申请中所述超宽带平面螺旋天线在背腔内使用多层密度不同的蜂窝结构的吸波材料，保证反射波不影响正向辐射，实现了超宽带特性，同时改善方向图波束宽度一致性，提高了相位检测的分辨率；依照该方法设计的阿基米德螺旋天线工作频率范围可为1-18GHz，达到18个倍频。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型实施例所述螺旋天线的主视结构示意图；
图2是本实用新型实施例所述螺旋天线的俯视结构示意图；
图3是本实用新型实施例所述螺旋天线的剖视结构示意图；
图4是本实用新型实施例所述螺旋天线的驻波测试结果图；
图5为本实用新型实施例所述天线在1GHz频点处的辐射方向图；
图6为本实用新型实施例所述天线在8GHz频点处的辐射方向图；
图7为本实用新型实施例所述天线在18GHz频点处的辐射方向图；
图8为本实用新型实施例中主辐射方向上天线的轴比图；
图9为本实用新型实施例中主辐射方向上天线的增益图；
其中：1、壳体；2、凸起；3、第二吸收体；4、第一吸收体；5、支撑体；6、放置腔体；7、天线介质板；8、螺旋天线；9、平衡器；10、同轴接头；11、阿基米德螺旋曲线；12、阿基米德正弦波曲折线。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图3所示，本实用新型实施例公开了一种小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，包括壳体1，优选的，所述壳体1使用铝材料制作。所述壳体1上形成有上端开口的腔体结构，所述腔体结构的中部形成有向上的凸起2，所述凸起2的中部形成有第二平衡器通道，所述腔体内凸起2的外周设置有第二吸收体3，所述第二吸收体3的厚度与所述凸起2的高度相同，且所述第二吸收体3的外径与所述壳体1的内径相等，所述第二吸收体3的上侧设置有第一吸收体4，且所述第一吸收体4上形成有与所述第二平衡器通道相连通的第一平衡器通道，所述第一吸收体4的网孔密度大于所述第二吸收体3的网孔密度，所述第一吸收体4用于吸收高频信号，所述第二吸收体用于吸收低频信号。
所述第一吸收体4的上侧设置有支撑体5，所述支撑体5使用透波材料制作。所述支撑体5上形成有与所述第一平衡器通道相连通的第三平衡器通道，所述第一平衡器通道、第二平衡器通道以及第三平衡器通道构成平衡器9的放置腔体6，所述支撑体5的上侧设置有天线介质板7，所述天线介质板7的上表面形成有螺旋天线8，天线介质板7的中心开设有天线馈电口，所述天线馈电口与平衡器9的放置腔体6相对应，所述平衡器9位于所述放置腔体6内，且平衡器9的上端与螺旋天线8的天线臂的中心电连接，所述平衡器9的下端与第二平衡器通道下端的同轴接头10电连接，优选的所述同轴接头(10)为SMA接头。
进一步的，螺旋天线形成的曲线分为低频部分和高频部分，高频部分为非频变的阿基米德螺旋曲线11，低频部分为加载正弦波的阿基米德正弦波曲折线12，其中阿基米德螺旋曲线的方程为：
其中，r为螺旋曲线矢径长度，r0为矢径的起始半径，a为螺旋曲线的螺旋率，
为螺旋线的螺旋角,
为初始螺旋角；在阿基米德螺旋天线两条臂的中心位置进行馈电，两个馈电点之间的相位差相差180°；阿基米德螺旋随螺旋角按线性比例关系增加；
低频部分阿基米德正弦波曲折线的方程为：
其中，a′为阿基米德正弦波曲折线的螺旋率，
为阿基米德正弦波曲折线的螺旋角，
为起始螺旋角，k为正弦波的振幅，n决定每一圈阿基米德正弦波曲折线中正弦波的周期个数；折线起始点的位置r与折线部分最高频率对应波长λ的关系为：
r＝λ/2π (3)。
高频部分的阿基米德螺旋线双臂各旋转13圈，其矢径为24mm；低频部分的阿基米德正弦波曲折线双臂各旋转13圈，其矢径为93mm；螺旋曲线双臂的宽度均为1mm，天线口径为117mm；天线介质板采用PTFE介质板加工，低频曲线和高频曲线蚀刻在所述介质板上。
进一步的，所述螺旋天线的工作频率范围为1GHz-18GHz，天线口径小于120mm，高度低于90mm。
图3为所述天线的剖视结构示意图。为保证宽频带的特性，设计的是吸收腔，主要根据吸波材料的厚度来确定腔深。本申请使用了多层密度不同的蜂窝结构的吸波材料，可以根据调试需要增加或减少不同吸波材料的层数和厚度，保证反射波不影响正向辐射，实现了超宽带特性，同时改善方向图波束宽度一致性，提高相位检测的分辨率。背腔材料为铝，阿基米德螺旋线和曲折线蚀刻在介质板上形成螺旋面，置于最上层作为辐射层，支撑体采用透波材料。巴伦平衡端两面的金属分别与螺旋线的两臂焊接，不平衡端连接一同轴接头，同轴接头固定于背腔底部中心位置。
利用本申请设计的小型化吸收背腔式的超宽带平面螺旋天线，工作频率范围1-18GHz，天线口径小于120mm，高度低于90mm。该天线的辐射部分使用阿基米德螺旋结构，考虑到天线小型化的需求在低频部分使用折线结构，利用吸收背腔设计实现单向辐射。使用同轴馈电结构，馈电点在螺旋线的中点，两个馈电点之间的相位相差180°，以此实现圆极化辐射。如图4到图9所示，最终测试结果驻波比的典型值为2，增益的最大值约为8dB，轴比的最大值是3dB，3dB波束宽度的最小值约为60°@18GHz,在整个工作频带1-18GHz内都有较宽的波束宽度。且在高频时天线辐射方向图的主瓣并没有出现裂瓣。
Claims (8)
1.一种小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)上形成有上端开口的腔体结构，所述腔体结构的中部形成有向上的凸起(2)，所述凸起(2)的中部形成有第二平衡器通道，所述腔体内凸起(2)的外周设置有第二吸收体(3)，所述第二吸收体(3)的厚度与所述凸起(2)的高度相同，且所述第二吸收体(3)的外径与所述壳体(1)的内径相等，所述第二吸收体(3)的上侧设置有第一吸收体(4)，且所述第一吸收体(4)上形成有与所述第二平衡器通道相连通的第一平衡器通道，所述第一吸收体(4)的上侧设置有支撑体(5)，所述支撑体(5)上形成有与所述第一平衡器通道相连通的第三平衡器通道，所述第一平衡器通道、第二平衡器通道以及第三平衡器通道构成平衡器(9)的放置腔体(6)，所述支撑体(5)的上侧设置有天线介质板(7)，所述天线介质板(7)的上表面形成有螺旋天线(8)，天线介质板(7)的中心开设有天线馈电口，所述天线馈电口与平衡器(9)的放置腔体(6)相对应，所述平衡器(9)位于所述放置腔体(6)内，且平衡器(9)的上端与螺旋天线(8)的天线臂的中心电连接，所述平衡器(9)的下端与第二平衡器通道下端的同轴接头(10)电连接。
2.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：螺旋天线形成的曲线分为低频部分和高频部分，高频部分为非频变的阿基米德螺旋曲线(11)，低频部分为加载正弦波的阿基米德正弦波曲折线(12)，其中阿基米德螺旋曲线的方程为：
其中，r为螺旋曲线矢径长度，r0为矢径的起始半径，a为螺旋曲线的螺旋率，
为螺旋线的螺旋角,
为初始螺旋角；在阿基米德螺旋天线两条臂的中心位置进行馈电，两个馈电点之间的相位差相差180°；阿基米德螺旋随螺旋角按线性比例关系增加；
低频部分阿基米德正弦波曲折线的方程为：
其中，a′为阿基米德正弦波曲折线的螺旋率，
为阿基米德正弦波曲折线的螺旋角，
为起始螺旋角，k为正弦波的振幅，n决定每一圈阿基米德正弦波曲折线中正弦波的周期个数；折线起始点的位置r与折线部分最高频率对应波长λ的关系为：
r＝λ/2π 3)。
3.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：
高频部分的阿基米德螺旋线双臂各旋转13圈，其矢径为24mm；低频部分的阿基米德正弦波曲折线双臂各旋转13圈，其矢径为93mm；螺旋曲线双臂的宽度均为1mm，天线口径为117mm；天线介质板采用PTFE介质板加工，低频曲线和高频曲线蚀刻在所述介质板上。
4.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：所述壳体(1)使用铝材料制作。
5.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：所述同轴接头(10)为SMA接头。
6.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：所述第一吸收体(4)的网孔密度大于所述第二吸收体(3)的网孔密度，所述第一吸收体(4)用于吸收高频信号，所述第二吸收体用于吸收低频信号。
7.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：所述支撑体(5)使用透波材料制作。
8.如权利要求1所述的小型化带吸收腔体的超宽带平面螺旋天线，其特征在于：所述螺旋天线的工作频率范围为1GHz-18GHz，天线口径小于120mm，高度低于90mm。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| TWI742928B (zh) * | 2020-11-13 | 2021-10-11 | 川升股份有限公司 | 低背向輻射的毫米波天線 |
| CN113594702A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-02 | 北京星英联微波科技有限责任公司 | 利用吸波材料和介质的超宽带天线 |
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|---|---|---|---|---|
| TWI742928B (zh) * | 2020-11-13 | 2021-10-11 | 川升股份有限公司 | 低背向輻射的毫米波天線 |
| CN113594702A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-11-02 | 北京星英联微波科技有限责任公司 | 利用吸波材料和介质的超宽带天线 |
| CN113594702B (zh) * | 2021-07-28 | 2022-03-04 | 北京星英联微波科技有限责任公司 | 利用吸波材料和介质的超宽带天线 |
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