CN113300093A - 一种全向圆极化辐射介质螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，包括：介质螺旋结构；所述介质螺旋结构设有螺旋臂和馈电点，所述螺旋臂的长度大于工作频率所对应的二分之一自由空间波长，所述馈电点设在所述螺旋臂的中间位置；所述螺旋臂采用介电常数为50以上的非金属介质材料制成。本发明采用了高介电常数的介质材料制成了螺旋臂，从而可以形成慢波结构，增大了天线在工作时的辐射口径，进而提高了辐射电阻和阻抗带宽。
Description
技术领域
本申请涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种全向圆极化辐射介质螺旋天线。
背景技术
传统的螺旋天线是由金属导线沿一定的直径尺寸的圆柱面、锥面或者球面绕制成螺旋线构成，它一般包括有法向模和轴向模两种工作模式，其工作模式的不同取决于螺旋天线的电尺寸，当螺旋线的圆周长小于一个波长的预制阈值时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴，则称为法向模螺旋；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，辐射最强的方向与螺旋旋轴方向同向，则称为轴向模螺旋。
对于法向模螺旋天线，方向图在螺旋轴所在的平面上近似‘8’字形，在垂直于螺旋轴线的平面上有最大辐射，近似圆形，通过调节螺旋天线的电尺寸，可以实现最大辐射方向为圆极化。传统的法向模螺旋天线绝大部分采用导电性良好的金属材质，使用纯介质的结构极少。
传统全向圆极化天线阵列大部分采用若干具有圆极化特性的天线单元叠加组合实现，结构较为复杂；且传统金属法向模螺旋天线辐射电阻低，与常用的50欧姆同轴线匹配后的阻抗带宽极窄，通常小于0.9％，因而限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用。
公开号为CN111585017A的中国发明申请专利公开了一种法向模螺旋天线，其解决了现有的法向模螺旋天线因辐射电阻低，而与常用的50Ω同轴线匹配后阻抗带宽极窄，从而限制了法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。但是，上述向模螺旋天线的辐射电阻随着螺旋段数的增加而跳越式增大，仍需一段阻抗匹配线来与50Ω同轴线进行匹配，且匹配后的带宽小于3％，仍存在阻抗带宽极窄的问题。。
发明内容
本申请提供了一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，用于解决辐射电阻低、阻抗带宽窄的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，包括：介质螺旋结构；所述介质螺旋结构设有螺旋臂和馈电点，所述螺旋臂的长度大于工作频率所对应的二分之一自由空间波长，所述馈电点设在所述螺旋臂的中间位置；
所述螺旋臂采用介电常数为50以上的非金属介质材料制成。
进一步地，所述螺旋臂的横截面结构为矩形、圆形或棱形。
进一步地，所述非金属介质材料的介电常数为78。
进一步地，所述非金属介质材料具体为陶瓷或液体。
进一步地，所述螺旋臂通过旋绕方式构成若干圈螺旋线段。
进一步地，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径不同。
进一步地，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径相同。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，构成了法相模模式下的螺旋结构，采用了高介电常数的介质材料制成了螺旋臂，从而可以形成慢波结构，增大了天线在工作时的辐射口径，进而提高了辐射电阻和阻抗带宽。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线的反射系数图；
图3为本申请实施例提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线的轴比曲线图；
图4为本申请实施例提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线的方向图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
目前，传统全向圆极化天线阵列大部分采用若干具有圆极化特性的天线单元叠加组合实现，结构较为复杂；且传统金属法向模螺旋天线辐射电阻低，与常用的50欧姆同轴线匹配后的阻抗带宽极窄，由匹配电路带来的额外损耗降低天线效率，因而限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用。
在现有技术中，公开号为CN111585017A的中国发明申请专利公开了一种法向模螺旋天线，其解决了现有的法向模螺旋天线因辐射电阻低，而与常用的50Ω同轴线匹配后的阻抗带宽极窄，从而限制了法向模螺旋天线的广泛使用的技术问题。但是，上述向模螺旋天线的辐射电阻随着螺旋段数的增加而跳越式增大，仍需一段阻抗匹配线来与50Ω同轴线进行匹配，且匹配后带宽小于3％，仍存在阻抗带宽极窄的问题。
为此，请参考图1，本发明提供了一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，包括：介质螺旋结构；所述介质螺旋结构设有螺旋臂100和馈电点200，所述螺旋臂100的长度大于工作频率所对应的二分之一自由空间波长，所述馈电点200设在所述螺旋臂100的中间位置；
所述螺旋臂100采用介电常数为50以上的非金属介质材料制成。
需要说明的是，通过将螺旋臂100的长度设置为大于工作频率所对应的二分之一自由空间波长，使得介质螺旋结构形成法相模模式下的螺旋结构。同时，在本实施例中，馈电点200在螺旋结构的中间位置采用差分馈电方式进行激励。
通过本发明人发现，上述现有技术中的一种法向模螺旋天线一般为工作频率的3/2波长或5/2波长，其采用金属结构，通过设定结构反转使得金属表面电流同向，进而使得金属表面电流在远场产生的电场相比于工作频率的1/2λ长(半波长)的金属螺旋更强，从而提高了辐射电阻。
而本发明提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线采用了高介电常数(大于50)的介质材料制成螺旋臂100，在工作时，螺旋臂100表面没有流经电流，而是利用高介电常数介质材料束缚电磁场，从而形成开放式波导结构，并因各圈螺旋臂100之间的紧密耦合，从而最终形成了慢波结构，使得本发明中的介质螺旋天线波导波长的尺寸不仅没有因介质材料的存在而缩小，反而变大。
需要说明的是，在一般示例中，采用有介质材料的结构，波导波长与介电常数呈负相关，而本发明中的介质螺旋天线波导波长的尺寸并未随着介电常数的增加而减小。容易得出的是，本发明采用高介电常数的介质材料制成螺旋臂100与金属螺旋臂100相比，当两者均工作于工作频率的半波长时，本发明采用的介质螺旋臂100的实际物理辐射口径要远大于金属螺旋臂100的物理辐射口径，使得辐射电阻和阻抗带宽更高。
同时，本发明提供的一种全向圆极化辐射介质螺旋天线的辐射电阻可连续调节，其调节范围可以在35-55欧姆之间，因此，可以优选调节到50欧姆附近后直接与特征阻抗为50欧姆的馈电端口匹配。
在毫米波及更高频段，金属螺旋臂100的导电损耗急剧增大，而介质螺旋臂100不会导致导电损耗急剧增大。
另外，高介电常数的介质材料可以减小螺旋臂100的直径，也即通过较小的直径的螺旋臂100采用高介电常数的介质材料制成，容易实现束缚电磁波沿螺旋传导，而相反的是，相对而言，低介电常数的介质材料需要较粗的直径的螺旋臂100才能束缚住同频率的电磁波。同时，采用高介电常数的介质材料可以形成慢波结构，增大了天线在工作时的辐射口径，进而提高辐射电阻和阻抗带宽。
综上，本发明提供了一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，构成了法相模模式下的螺旋结构，采用了高介电常数的介质材料制成了螺旋臂100，从而可以形成慢波结构，增大了天线在工作时的辐射口径，进而提高了辐射电阻和匹配后的阻抗带宽。
进一步地，所述螺旋臂100的横截面结构为矩形、圆形或棱形。
进一步地，所述非金属介质材料的介电常数为78。
进一步地，所述非金属介质材料具体为陶瓷或液体。
进一步地，所述螺旋臂100通过旋绕方式构成若干圈螺旋线段。
需要说明的是，相邻圈的螺旋线段的旋向相反。
进一步地，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径不同。
进一步地，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径相同。
为了验证本发明提供的全向圆极化辐射介质螺旋天线的特性，请参阅图2～4。
其中，图2示意出了天线仿真结果中的反射系数图，采用介电常数为78的介质材料制成螺旋臂，图2反映了本发明提供的天线的馈电能量在天线端口处反射到源的大小，其|S11|越小，则说明代表反射系数越小，进而辐射出去的能量越多，其中，以-10dB为界限，认为小于-10dB数值的频率区间为工作频段，由图2容易得出，该天线与50欧姆的馈电端口匹配良好，一般认为|S11|<-10dB的频率区间为工作频段，由图2所示，所仿真的介质天线工作频段大致为0.97～1.04GHz，工作频段的最大频率与最小频率的差值得到天线的绝对带宽，绝对带宽与中心频率1GHz的比值为相对带宽，因此，该天线的带宽大于6％。
图3示意出了本发明提供的天线的轴比曲线，轴比反映圆极化性能，一般小于3dB即可认为是满足圆极化，由图3可以看出，本发明提供的天线在水平面360度范围内轴比均低于3dB，说明具有水平全方向圆极化特性。
图4示意出了本发明提供的天线的方向图，反映了辐射出去的能量在空间不同角度上的大小分布，图4中，所凹陷的位置说明该角度上辐射能量较小，突出的位置的辐射能量较大，由图4可以看出，本发明提供的天线方向图圆度较好。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，包括：介质螺旋结构；所述介质螺旋结构设有螺旋臂和馈电点，所述螺旋臂的长度大于工作频率所对应的二分之一自由空间波长，所述馈电点设在所述螺旋臂的中间位置；
所述螺旋臂采用介电常数为50以上的非金属介质材料制成。
2.根据权利要求1所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述螺旋臂的横截面结构为矩形、圆形或棱形。
3.根据权利要求1所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述非金属介质材料的介电常数为78。
4.根据权利要求1所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述非金属介质材料具体为陶瓷或液体。
5.根据权利要求1所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述螺旋臂通过旋绕方式构成若干圈螺旋线段。
6.根据权利要求5所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径不同。
7.根据权利要求5所述的全向圆极化辐射介质螺旋天线，其特征在于，所述若干圈螺旋线段的螺旋直径相同。
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