CN104852126B - 一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，包括四臂圆锥螺旋辐射器；介质支撑锥台，四臂圆锥螺旋辐射器附着于介质支撑锥台表面；介质板，介质板置于介质支撑锥台底部位置，对整个天线起支撑作用；宽带平面馈电器，宽带平面馈电器采用自相移串联馈电结构，印刷在介质板的上表面；四个馈电连接片，馈电连接片将所述四臂圆锥螺旋辐射器与平面馈电器的对应四个分支端口连接；八个焊片，焊片印刷在介质板的上表面，用于固定所述馈电连接片；四个阻抗调节片，阻抗调节片位于所述四臂圆锥螺旋辐射器的始端，对四臂圆锥螺旋辐射器的输入阻抗进行调节；射频接头，射频接头与平面馈电器相连。本发明可实现螺旋天线的小型化、宽频带、高效率设计。

Description

一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线。

背景技术

卫星通信是目前被广泛应用的一种先进移动通信技术，它可以解决地面移动通信所不能覆盖区域的通信问题。卫星通信***是利用卫星作为中继站向用户提供数据业务的通信***，所利用的卫星既可以是对地静止轨道卫星，也可以是非对地静止轨道卫星，如低高度地球轨道卫星、中等高度地球轨道卫星和高椭圆轨道卫星等。卫星通信***能扩大移动通信的业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务之外，还可以向空中、海面和复杂地理区域的各类移动用户提供通信服务。

卫星通信设备主要包括星上设备和地球终端设备，其中地球终端设备形式多样，应用场合众多，因此被广泛的研究和推广。随着电子集成技术的发展，通信设备都向着集成化、小型化发展，以满足人们对高性能设备的需求；用于卫星通信的移动地球终端同样也应和着这样的发展趋势；在终端设备中，天线是尺寸最大的部分，尤其工作频率较低时，天线尺寸显得更为突出。但由于天线的尺寸与天线性能有很大关系，天线尺寸缩小将直接导致天线性能下降，因此天线尺寸始终是影响地球终端设备性能的主要因素。

地球终端设备所采用的天线为圆极化天线，圆极化天线可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应，可以提供很好收发性能；目前，地球终端常用的天线形式有平面微带天线和各种螺旋天线；微带天线结构简单，但由于微带天线为谐振式工作，带宽受到很大的限制；螺旋天线的频带宽、圆极化性能稳定，常用形式有平面螺旋、柱面螺旋、锥面螺旋；平面螺旋横向尺寸大，并且要配合宽带反射腔使用；柱面螺旋横向尺寸小，但高度大；角锥螺旋结合二者的优点，高度和横向尺寸都可以根据需要调整；但工作频率较低时，天线尺寸还是显得很大，而缩小天线尺寸会直接造成圆极化性能恶化、带宽减小。

传统的天线小型化方法，如加载高介电常数的介质、曲流等，都会使天线的带宽变窄，这是因为小尺寸天线输入阻抗变化剧烈、阻抗匹配困难。天线尺寸的减小带来的另一严峻问题是天线的辐射效率下降，小尺寸天线的电尺寸小，其辐射电阻将降低，并且有较大的电抗成分；在天线不存在损耗的条件下，尽管其辐射电阻较低，总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分，并通过阻抗变换将阻抗变换到适当的数值使其与发射机或接收机匹配，从而有效完成能量转换功能。但是，不仅天线本身存在热损耗，而且馈电电路也会引入损耗。当天线的辐射电阻很低时，这些损耗就会更加突出，从而明显降低天线的辐射效率。

针对上述问题，发明专利201410382212.0给出了一种宽带小型化圆锥螺旋天线的设计方法，但天线特殊的结构使得天线方向图具有较大的前后比，这是实际使用中的不利因素，会造成电磁兼容及电磁干扰等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，以满足高性能卫星通信中所要求的天线小型、宽带、高效率和高增益需求。

本发明是这样实现的，一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，该高效率宽带小型圆锥螺旋天线设置有四臂圆锥螺旋辐射器和平面馈电器。

四个阻抗调节片设置在所述四臂圆锥螺旋辐射器始端，所述阻抗调节片可以等效看作微带形终端开路的阻抗调节枝节，通过合理设置其长度和宽度可以引入适量的电感或电容，对所述四臂圆锥螺旋辐射器的输入阻抗的虚部进行调节，使其接近于零。这样，天线低频段的阻抗特性曲线会变得平坦，从而形成辐射行波特性，很大程度改善了天线与馈线的阻抗匹配，天线的相对阻抗带宽得到很大的展宽。

平面馈电器印刷在所述介质板的上表面，平面馈电器能产生90°自相移的平衡馈电结构，一方面该馈电结构是一种平衡馈电结构，经过其阻抗变换以及平衡馈电转换作用，极大地展宽了四臂螺旋天线的带宽，而且设计简单，易于制作和工程使用；另一方面该馈电结构能产生90°自相移，可以使天线得到良好的圆极化辐射特性。

进一步，该高效率宽带小型圆锥螺旋天线进一步包括：

四臂圆锥螺旋辐射器采用共形方式附着在介质支撑锥台的圆锥表面，四臂圆锥螺旋辐射器的上端为开路形式，四臂圆锥螺旋辐射器底端通过馈电连接片分别与平面馈电器的四个分支端口第一分支端口、第二分支端口、第三分支端口、第四分支端口相连；馈电连接片呈垂直放置的圆弧形条带形式，馈电连接片底端通过印刷在介质板上表面的焊片连接焊定，射频接头的内芯与所述平面馈电器的输入和路端口相连；射频接头的外皮与底板连接。高频电流经过平面馈电器的阻抗变换以及平衡馈电转换作用，可实现高频能量的高效传输。平面馈电器的四个分支端口输出的幅度相等相位依次滞后90°的高频电流经馈电连接片流入四臂螺旋辐射器并向空间辐射，从四壁螺旋辐射器上辐射出的高频电场在远场叠加，形成圆极化波。由于所述平面馈电器强制馈电的特点，能够提高圆极化天线的轴比性能；在简化其结构设计的情况下，成为宽带圆极化天线平面馈电器的最佳选择。

进一步，介质支撑锥台采用高强度的低介电常数低损耗材料加工而成，该材料在保证介质支撑锥台高强度的同时，能显著展宽天线带宽，增大了天线的圆极化增益，天线的辐射效率明显提高。

进一步，所述四臂圆锥螺旋辐射器的四臂螺旋线采用阿基米德等宽线展开，由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂的螺旋线圈数为半圈，长度略大于四分之一个波长，螺旋线圈的宽度设置为0.1个波长，螺旋线的末端逐渐变细。所述四臂圆锥螺旋辐射器作为辐射圆极化波的主要部件，它的长度和宽度直接影响天线的带宽和圆极化波的性能。通过合理设置其长度和宽度，得到了较宽的带宽和较高的圆极化增益以及良好的圆极化轴比性能。螺旋线末端逐渐变细，在有限的空间下，极大地延长了螺旋臂的长度，从而有效减小了天线的尺寸。

本发明圆锥螺旋天线的电性能优异，相对阻抗带宽达到50％，表现出良好的宽带特性；在大部分工作频带内，右旋圆极化增益均大于4dBic，表现出高增益的优点；本发明天线在整个工作频带内具有较高的辐射效率，辐射效率均在97％左右。另外，本发明天线电尺寸为高0.16λ、直径0.3λ，明显缩小了天线尺寸。因而本发明同时实现了天线的小尺寸、宽频带、高增益和高效率。相比常规螺旋天线有较大优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线结构示意图；

图中：1、四臂圆锥螺旋辐射器；2、介质支撑锥台；3、平面馈电器；301、输入和路端口；302、第一分支端口；303、第二分支端口；304、第三分支端口；305、第四分支端口；4、介质板；5、底板；6、馈电连接片；7、阻抗调节片；8、焊片；9、射频接头；

图2是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的结构装配示意图；

图3是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的平面馈电器示意图；

图4是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的电压驻波比曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在350MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；

图6是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在450MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；

图7是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在500MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；

图8是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的在频带内的增益曲线示意图；

图9是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在频带内的辐射效率曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图1-3及对本发明的结构作详细的描述。

请参考图1～图3，本发明一种宽带小型化圆锥螺旋天线，其包括四臂圆锥螺旋辐射器1，四臂圆锥螺旋辐射器1采用共形方式附着在介质支撑锥台2的圆锥表面，四臂圆锥螺旋辐射器1的四臂螺旋线采用阿基米德等宽线展开，螺旋线的圈数为半圈，长度略大于四分之一个波长，螺旋线的宽度设置为0.1个波长，螺旋线的末端逐渐变细；介质支撑锥台2采用高强度的低介电常数低损耗材料加工而成；四臂圆锥螺旋辐射器1的上端为开路形式，底端通过馈电连接片6分别与平面馈电器3的四个分支端口第一分支端口302、第二分支端口303、第三分支端口304、第四分支端口305相连；馈电连接片6呈垂直放置的圆弧形条带形式，底端通过印刷在介质板4上表面的焊片8进行连接焊定；四个阻抗调节片7位于所述四臂圆锥螺旋辐射器的始端，对所述四臂圆锥螺旋辐射器的输入阻抗进行调节；平面馈电器3印刷在介质板4的上表面；射频接头9的内芯与所述平面馈电器3的输入和路端口301相连；射频接头9的外皮与底板5连接。

高频电流由射频接头9流入平面馈电器3的输入和路端口301，经过平面馈电器的阻抗变换以及平衡馈电转换作用，可实现高频能量的高效传输。这种平面馈电器将从301输入的能量在经过第一级功分器时按1：3分配，然后在经过第2级时按1：2分配，在第三级分配时为1：1等功分，这样从第一分支端口302、第二分支端口303、第三分支端口304、第四分支端口305这四个分支端口得到等功率分配的高频能量。从输入和路端口301流入的高频电流依次从第一分支端口302、第二分支端口303、第三分支端口304、第四分支端口305流出，每个分支端口流过的电流路径依次相差四分之一个波长，相位依次相差90°。因此，平面馈电器3的四个分支端口第一分支端口302、第二分支端口303、第三分支端口304、第四分支端口305可输出幅度相等相位依次滞后90°的高频电流。由于所述平面馈电器3的强制馈电的特点，能够提高圆极化天线的轴比性能。在简化其结构设计的情况下，成为宽带圆极化天线平面馈电器的最佳选择。

四臂螺旋天线的结构如图1，它由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂的环绕圈数为半圈，长度略大于四分之一个波长，该螺旋天线介于螺旋和单极子天线之间，实质上是两者的综合变形。各个分支端口输出的电流经由馈电连接片6流入四臂螺旋辐射器1，电流沿四臂螺旋从底端向上流至螺旋末端，并向空间辐射，从四壁螺旋辐射器上辐射出的高频电场在远场叠加，形成圆极化波。

所述四臂螺旋天线采用一体化设计方法，在理想馈电时，可以获得四臂螺旋天线的输入阻抗特性，再综合平面馈电器的输入输出阻抗特性，将螺旋天线和平面馈电器作为一个统一的整体，通过合理选择平面馈电器的线宽使天线总的输入阻抗接近50欧，实现天线与馈线的最佳匹配，同时合理调节各级功分器的馈线宽度和长度，使四臂螺旋天线得到最优的幅度相等相位依次滞后90°的高频电流，以实现优良的圆极化性能。采用该方法可以实现圆锥螺旋天线的宽带小型化设计。

通过以下的仿真试验对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、仿真内容：

请参考图4至图8，利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、方向图及增益进行了仿真。

2、仿真结果：

图4是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线，从图4可以看出，本发明天线工作在超高频频段，在所示频带内电压驻波比小于2的范围为335～555MHz，相对阻抗带宽达到50％，表现出良好的宽带特性，以335MHz为归算频率，圆锥螺旋天线的电尺寸为高0.16λ、直径0.3λ，计算结果表明本发明天线具有良好的宽带特性以及小型化外形，可以满足小型卫星通信终端的发展需求。

从图中可以看到天线参数对轴比(交叉极化)的影响不大，不同情况下天线交叉极化均大于10dB，即轴比均小于6dB，从天线模型上可以看出，平面馈电器提供的是右旋圆极化的馈电方式，而螺旋的绕制方向却为左旋，采用这样相反的形式，适当调整天线尺寸，正好可以使低剖面方向场强叠加，得到了宽角宽波束的方向图，如图8所示，天线波束在±80°时，不仅有较高的增益，而且依然保持了良交叉极化特性。

图5～图7是对实施例天线仿真得到的右旋圆极化(实线)和左旋圆极化(虚线)方向图，分别给出了350MHz、450MHz和500MHz的方向图。方向图表征工作频带内天线在空间辐射的能量分布；从结果可以看出本发明天线在工作频带内都具有良好的定向性。从图中可以看到，本发明天线后向辐射较弱，前向辐射明显大于后向辐射，前后比在整个频带均大于10dB，这大大改善了卫星通信中电磁兼容差及由电磁干扰造成的一系列通信问题。

此外，在±80°范围内，左旋圆极化波显著小于右旋圆极化波，说明天线在前向区域的轴比较低，可良好满足卫星通信圆极化波的需求。

图8是对实施例天线仿真得到的增益随工作频率变化的曲线。从图8可以看出，本发明天线在工作频带内具有较高的增益，在335～480MHz范围内，右旋圆极化增益均在4dBic左右，但随着频率的继续升高增益迅速下降，这主要是由于天线在高频段的轴比迅速恶化造成的。

图9是对实施例天线仿真得到的辐射效率随工作频率变化的曲线。从图9可以看到，本发明天线在整个工作频带内具有较高的辐射效率，辐射效率均在97％左右。虽然在高频段该发明天线的增益有所下降，但是就辐射效率而言，该天线对于小型化、宽带、高辐射效率的圆锥螺旋天线的设计具有重要的参考意义，可以提高通信终端的整体性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，其特征在于，所述高效率宽带小型圆锥螺旋天线包括：

介质支撑锥台；

四臂圆锥螺旋辐射器，所述四臂圆锥螺旋辐射器附于介质支撑锥台表面；

平面馈电器，所述平面馈电器置于介质支撑锥台底部位置，并通过馈电连接片与四臂圆锥螺旋辐射器连接；

馈电连接片，所述馈电连接片将所述四臂圆锥螺旋辐射器与所述平面馈电器的四个分支端口连接；

焊片，所述焊片印刷在所述介质板上表面，用于固定所述馈电连接片；

阻抗调节片，所述阻抗调节片位于所述四臂圆锥螺旋辐射器的下端；

射频接头，所述射频接头与所述平面馈电器的和路端口连接；

所述四臂圆锥螺旋辐射器由四条螺旋带在圆锥面上从底部逐渐展开，螺旋带的宽度和螺旋带展开的锥角受螺旋带方程参数控制，螺旋带宽度是固定值或者按某种规律渐变；

所述四臂圆锥螺旋辐射器为金属材质，结构是平面结构或者立体结构；

所述介质支撑锥台支撑和固定所述四臂圆锥螺旋辐射器，所述介质支撑锥台的介电常数由实际需要确定；

所述平面馈电器为印刷微带电路结构的平面馈电器，平面馈电器中间为介质板，上表面为微带线，下表面为底板；

所述天线平面馈电器为串联顺序馈电线结构，中间为和路端口，四周引出分支端口，端口间的微带线宽和线长根据各端口的能量分配和相位关系进行合理设置；

所述馈电连接片为四条金属片，将所述平面馈电器的分支端口与四臂圆锥螺旋辐射器下端相连。

2.如权利要求1所述的高效率宽带小型圆锥螺旋天线，其特征在于，所述焊片为金属材质，印刷在所述介质板的上表面，用于固定所述馈电连接片。

3.如权利要求1所述的高效率宽带小型圆锥螺旋天线，其特征在于，所述阻抗调节片为金属材质，与所述四臂圆锥螺旋辐射器的下端连接，对所述四臂圆锥螺旋辐射器的输入阻抗进行调节。

4.如权利要求1所述的高效率宽带小型圆锥螺旋天线，其特征在于，所述射频接头的内芯穿过所述介质板并与所述平面馈电器的和路端口相连，射频接头的外皮与所述平面馈电器的底板相连。