CN111987427A - 一种超宽带低剖面阿基米德磁窗天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，它包括介质板，对称铺设于所述介质板顶层和底层的阿基米德平面螺旋天线，所述阿基米德平面螺旋天线包括上下表面铺设的阿基米德螺旋线，所述阿基米德螺旋线以第一天线臂和第二天线臂为轴相互围绕形成所述阿基米德平面螺旋天线；在馈电中心处通过过孔连接所述介质板顶层和底层的所述第一天线臂和所述第二天线臂。本发明的优点在于：天线在介质板两面对称铺设双臂阿基米德螺旋天线，在满足天线轴比的情况下减小了天线的尺寸，降低了天线的剖面厚度；采用正弦曲折臂结构，使得螺旋天线圈数增加从而减少传输损耗，提高天线的效率。
Description
技术领域
本发明涉及超宽带微波技术领域，尤其涉及一种超宽带低剖面阿基米德磁窗天线。
背景技术
随着超宽带微波技术在军事和民用通讯领域的发展，人们对超宽带天线技术的需求也变得越来越强烈，特别是在超宽带雷达、导弹制导以及通信领域，超宽带天线是其关键技术之一。
减小平面阿基米德天线的尺寸和剖面高度一直以来是国内外研究的热点，由于阿基米德螺旋天线可以在一定维度内紧密绕行，使得其可以在低频率端也能保持良好辐射性能；因此利用平面阿基米德螺旋天线来做磁窗天线的辐射器是最理想的选择；在很多应用场景下，需要天线单向辐射电磁波，传统的做法是在距离天线背面λ/4距离位置处添加金属反射背腔来实现，但是这种方法会无形中增加整个天线的剖面，同时也严重的限制了天线工作的带宽特性。而且传统的方法会造成天线增益的降低，而利用EBG结构可以形成理想的磁导体(Perfect Magnetic Conductor，PMC)，不同于理想电导体(Perfect ElectricConductor，PEC),PMC对入射电磁波的反射系数为+1，因此利用EBG的这种特性可以使天线的剖面进一步减小。
由于阿基米德螺旋天线的辐射阻抗大约188Ω左右，为了能和常用的传输线(50Ω，75Ω)阻抗匹配，一般需要设计微带渐变巴伦。微带巴伦可以进行阻抗变换，实现传输线到天线之间的低损耗的传输，还可以将传输线中非平衡的激励逐渐过渡为平衡的激励来给双臂阿基米德天线馈电。但是，使用微带渐变巴伦也会增加天线的纵向剖面，并且增加了天线的尺寸，也会给设计和安装带来新的挑战，在超宽带磁窗天线设计中，由于实际磁体产生磁场强度B0随着离磁体表面的距离迅速下降，要想将平面阿基米德螺旋天线应用到磁窗天线中，就要保证阿基米德天线的纵向剖面尽可能的低，以增加磁场的作用距离；所以这种方式并不是最优的选择。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，天线的工作频率为1GHz～11GHz，并且在工作频率内轴比小于3dB，在工作频率内回波损耗S11小于-10dB，辐射圆极化波特性良好，天线的厚度小于1cm。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，它包括介质板，对称铺设于所述介质板顶层和介质板底层的阿基米德平面螺旋天线，所述阿基米德平面螺旋天线包括上下表面铺设的阿基米德螺旋线，所述阿基米德螺旋线以第一天线臂和第二天线臂为轴相互围绕形成所述阿基米德平面螺旋天线；在馈电中心处通过过孔连接所述介质板顶层和介质板底层的所述第一天线臂和所述第二天线臂。
进一步地，从所述第一天线臂和第二天线臂围绕的第四圈开始采用正弦曲折臂结构，每一圈螺旋线有四十个正弦周期，正弦弯曲的振幅为1mm，以增加每圈螺旋线的长度。
进一步地，所述阿基米德平面螺旋天线通过50欧姆同轴线进行馈电；所述同轴线的内导体连接所述第一天线臂，外导体连接所述第二天线臂；或者所述同轴线的内导体连接所述第二天线臂，外导体连接所述第一天线臂。
进一步地，所述阿基米德平面螺旋天线的剖面厚度小于10mm，工作频率为1GHz～11GHz；所述介质板为EBG结构的介质板，其每个方形金属贴片单元边长为4mm，间距为2mm，相互之间通过焊接20欧姆贴片电阻连接。
本发明具有以下优点：
1、本发明的天线在介质板两面对称铺设双臂阿基米德螺旋天线，在满足天线轴比的情况下减小了天线的尺寸，降低了天线的剖面厚度。
2、采用正弦曲折臂结构，使得螺旋天线圈数增加从而减少传输损耗，提高天线的效率。
3、采用介质板两面对称铺设双臂阿基米德螺旋天线，在馈电中心处通过过孔连接介质板顶层和底层对称位置的双臂，使阿基米德天线的阻抗减小了一半，从而实现了与同轴线的良好的匹配。
4、采用同轴线进行馈电，而不需要再另外设计微带巴伦，从而减小了磁窗天线的纵向剖面，使整个天线的厚度不大于1cm。
5、具有良好的辐射圆极化波特性，将超宽带的阿基米德磁窗天线的两条曲折臂直接连接到50欧姆的同轴线。
6、具有良好的定向性，在天线包背部设计吸收腔，将天线的后向辐射能量吸收掉，实现单向辐射，纵向尺寸远远小于传统的反射腔。
附图说明
图1为本发明的阿基米德平面螺旋天线结构图；
图2为基板上下底层和顶层铺设阿基米德螺旋天线图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明阿基米德平面螺旋天线用50欧姆同轴线直接馈电图；
图5为馈电图局部图；
图6为带有贴片天线的EBG介质板示意图
图7为本发明仿真和测试的回波损耗S11曲线坐标图；
图8为天线轴比仿真图；
图中：1-第一天线臂，2-第二天线臂，3-介质板，4-阿基米德平面螺旋天线，5-螺旋线，6-同轴线，7-内导体，8-外导体，9-介质板底层，10-介质板顶层，11-过孔，12-馈电中心。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，它包括介质板3，对称铺设于所述介质板顶层10和介质板底层9的阿基米德平面螺旋天线4，所述阿基米德平面螺旋天线4包括上下表面铺设的阿基米德螺旋线5，所述阿基米德螺旋线5以第一天线臂1和第二天线臂2为轴相互围绕形成所述阿基米德平面螺旋天线4；在馈电中心12处通过过孔11连接所述介质板顶层10和介质板底层9的所述第一天线臂1和所述第二天线臂2。
从所述第一天线臂1和第二天线臂2围绕的第四圈开始采用正弦曲折臂结构，能够增加螺旋线5的长度，从而减少传输损耗，提高天线的效率和降低天线工作频率的目的；其中，正弦曲折臂即为在阿基米德螺旋天线中加入正弦波，每一圈螺旋线5有四十个正弦周期，正弦弯曲的振幅为1mm，以增加每圈螺旋线5的长度，能够增加天线小型化的程度。
进一步地，如图3所示，LEBG结构的介质板3是边长为71mm的正方形罗杰斯5880基板，其节点常数为2.2，厚度为1.575mm，阿基米德平面螺旋天线4通过4个塑料螺钉固定安装在介质板3上，且与介质板3之间的间隔约1.2mm。并在表面涂覆了抗氧化保护的绿油。
如图4和图5所示，所述阿基米德平面螺旋天线4通过50欧姆同轴线6进行馈电；在馈电中心12处通过过孔11连接介质板顶层10和介质板底层对称位置的双臂；可以将阿基米德平面天线4的输入阻抗减小一半，刚好直接与50欧姆的同轴线6实现较为良好的阻抗匹配。
进一步地，同轴线6的内导体7穿过过孔11连接所述第一天线臂1，外导体8穿过过孔11连接所述第二天线臂2；或者所述同轴线6的内导体连接所述第二天线臂2，外导体8连接所述第一天线臂1。
如图6所示，所述阿基米德平面螺旋天线4的剖面厚度小于10mm，进一步地约为7mm，工作频率为1GHz～11GHz，并且在工作频率内轴比小于3dB，在工作频率内回波损耗S11小于-10dB，辐射圆极化波特性良好；所述介质板3为EBG结构的介质板，其每个方形金属贴片单元边长为4mm，间距为2mm，相互之间通过焊接20欧姆贴片电阻连接。
如图7和8所示，可以看到在工作频率1～11GHz带宽内反射系数都低于-10dB，圆极化轴比在1～19GHz内小于3dB，说明天线馈电端口反射回来的信号能量非常小，辐射圆极化波特性良好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，其特征在于：它包括介质板(3)，对称铺设于所述介质板顶层(10)和介质板底层(9)的阿基米德平面螺旋天线(4)，所述阿基米德平面螺旋天线(4)包括上下表面铺设的阿基米德螺旋线(5)，所述阿基米德螺旋线(5)以第一天线臂(1)和第二天线臂(2)为轴相互围绕形成所述阿基米德平面螺旋天线(4)；在馈电中心(12)处通过过孔(11)连接所述介质板顶层(10)和介质板底层(9)的所述第一天线臂(1)和所述第二天线臂(2)。
2.根据权利要求1所述的一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，其特征在于：从所述第一天线臂(1)和第二天线臂(2)围绕的第四圈开始采用正弦曲折臂结构，每一圈螺旋线(5)有四十个正弦周期，正弦弯曲的振幅为1mm，以增加每圈螺旋线(5)的长度。
3.根据权利要求1所述的一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，其特征在于：所述阿基米德平面螺旋天线(4)通过50欧姆同轴线(6)进行馈电；所述同轴线(6)的内导体(7)连接所述第一天线臂(1)，外导体(8)连接所述第二天线臂(2)；或者所述同轴线(6)的内导体(7)连接所述第二天线臂(2)，外导体(8)连接所述第一天线臂(1)。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种超带宽低剖面阿基米德磁窗天线，其特征在于：所述阿基米德平面螺旋天线(4)的剖面厚度小于10mm，工作频率为1GHz～11GHz；所述介质板(3)为EBG结构的介质板，其每个方形金属贴片单元边长为4mm，间距为2mm，相互之间通过焊接20欧姆贴片电阻连接。
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