專利名稱：一種軸向模圓柱螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸向模圓柱螺旋天線。
背景技術(shù)：
天線作為射頻通信的前端部件，在通信系統(tǒng)中占有重要地位，其合理的物理結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的天線性能不僅是提高系統(tǒng)性能的保證同時(shí)也有利于節(jié)約成本，螺旋天線是一種利用導(dǎo)電性良好的金屬制成的具有螺旋形狀的天線，根據(jù)天線的主射方向不同，主要存在法向模和軸向模兩種輻射模式，其中軸向模螺旋天線由于具有寬頻帶、高增益和低軸比的特點(diǎn)，使其在衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，天線的尺寸基本決定了無線通信設(shè)備的 大小，在不斷追求無線通信設(shè)備小型化的同時(shí)，能夠提高天線性能并且進(jìn)一步減小天線的尺寸有著必要的現(xiàn)實(shí)意義；現(xiàn)有技術(shù)中有針對(duì)等螺距圓柱螺旋天線的設(shè)計(jì)首先根據(jù)中心頻率選擇合適周長(zhǎng)和螺距，通過增加螺旋圈數(shù)來提高增益，這樣會(huì)使得螺旋天線總高度增加；利用螺旋天線的電流截?cái)嘈?yīng)，在幾何上截去超過截?cái)帱c(diǎn)的螺旋線部分，這樣降低了天線高度，但少數(shù)的螺旋圈數(shù)使得天線的圓極化性能惡化；采用指數(shù)漸變螺距的天線結(jié)構(gòu)雖然改善了天線的圓極化輻射特性，但尺寸較大且饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有考慮實(shí)際應(yīng)用中對(duì)天線高度的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制一種設(shè)計(jì)靈活、制作簡(jiǎn)單的軸向模圓柱螺旋天線。本發(fā)明的技術(shù)手段如下一種軸向模圓柱螺旋天線，包括螺旋輻射體、介質(zhì)支撐體、饋電匹配體、接地板和射頻同軸接頭；所述螺旋輻射體由銅管依次右向螺旋環(huán)繞形成圓柱形狀，該螺旋輻射體由圓柱底面圓心起始沿徑向延伸至底面圓周處后，沿軸向上升延伸形成變升角螺旋結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)支撐體固定設(shè)在所述接地板上面；所述饋電匹配體為倒L型微帶結(jié)構(gòu)，分為水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介質(zhì)支撐體的側(cè)面；所述螺旋輻射體的起始端設(shè)在粘附在介質(zhì)支撐體上表面的水平部上，被介質(zhì)支撐體托起；所述射頻同軸接頭垂直設(shè)在所述接地板上，所述接地板在射頻同軸接頭處設(shè)有通孔；所述射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體底端穿過通孔，該射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體頂端與所述垂直部連接；所述射頻同軸接頭外導(dǎo)體與接地板連接；進(jìn)一步地,所述螺旋福射體的螺旋線參數(shù)方程為X=R*cos(t) ；Y=R*sin(t) ；Z=R*tan{[a0+(a「a 0) * (t/2 π N) ] * O/180)} *t ;其中 R 為螺旋線半徑、N 為螺旋圈數(shù)、a 0為螺旋起始升角、α 為螺旋終止升角、t為螺旋線環(huán)繞過程中弧度變化值,變化范圍為O ^ t ^ 23IN ；進(jìn)一步地,所述螺旋線半徑R O. 16 λ，這樣螺旋一圈的周長(zhǎng)C ^ λ ,其中λ為螺旋天線中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；進(jìn)一步地，當(dāng)t=2 η N時(shí)螺旋天線總高度H=Z=R*tan[ a ji /180) ]*t,螺旋天線總高度H限定時(shí)通過調(diào)整螺旋起始升角a ^使螺旋天線的圓極化輻射特性達(dá)到最優(yōu)值；進(jìn)一步地，通過調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配；進(jìn)一步地，所述通孔直徑介于所述射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體直徑和外導(dǎo)體直徑之間；進(jìn)一步地，所述螺旋輻射體的螺旋圈數(shù)N至少為2。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種軸向模圓柱螺旋天線，采用變升角螺旋結(jié)構(gòu)，使得在限定天線高度情況下通過調(diào)整螺旋起始升角a ^獲得最優(yōu)的圓極化輻射性能，從而使得本發(fā)明兼有低剖面和高性能的特點(diǎn)；通過設(shè)有倒L型微帶結(jié)構(gòu)的饋電匹配體替代了傳統(tǒng)天線的平面微帶片，利用綜合調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)天線阻抗的最佳匹配；本發(fā)明設(shè)計(jì)靈活、物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、天線性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛。


圖I是本發(fā)明所述螺旋天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述螺旋天線的側(cè)視圖；圖3是本發(fā)明所述螺旋天線的俯視圖；圖中I、螺旋輻射體，2、介質(zhì)支撐體，3、饋電匹配體，4、接地板,5、射頻同軸接頭。
具體實(shí)施例方式如圖I、圖2和圖3所示的一種軸向模圓柱螺旋天線，包括螺旋輻射體I、介質(zhì)支撐體2、饋電匹配體3、接地板4和射頻同軸接頭5 ;所述螺旋輻射體I由銅管依次右向螺旋環(huán)繞形成圓柱形狀，該螺旋輻射體I由圓柱底面圓心起始沿徑向延伸至底面圓周處后，沿軸向上升延伸形成變升角螺旋結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)支撐體2固定設(shè)在所述接地板4上面；所述饋電匹配體3為倒L型微帶結(jié)構(gòu)，分為水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介質(zhì)支撐體2的側(cè)面；所述螺旋輻射體I的起始端設(shè)在粘附在介質(zhì)支撐體2上表面的水平部上，被介質(zhì)支撐體2托起；所述射頻同軸接頭5垂直設(shè)在所述接地板4上，所述接地板4在射頻同軸接頭5處設(shè)有通孔；所述射頻同軸接頭5內(nèi)導(dǎo)體底端穿過通孔，該射頻同軸接頭5內(nèi)導(dǎo)體頂端與所述垂直部連接；所述射頻同軸接頭5外導(dǎo)體與接地板4連接；進(jìn)一步地，所述螺旋輻射體的螺旋線參數(shù)方程為:X=R*cos (t) ;Y=R*sin(t) ;Z=R*tan {[ α 0+( α「α 0) * (t/2 π N) ] * O /180)} *t ;其中R為螺旋線半徑、N為螺旋圈數(shù)、a ^為螺旋起始升角、a j為螺旋終止升角、t為螺旋線環(huán)繞過程中弧度變化值，變化范圍為O < t < 2 Ji N ;所述螺旋線半徑R O. 16 λ，這樣螺旋一圈的周長(zhǎng)C λ，其中λ為螺旋天線中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；當(dāng)t=2 Ji N時(shí)螺旋天線總高度H=Z=R*tan[ a ^(ji /180) ]*t，螺旋天線總高度H限定時(shí)通過調(diào)整螺旋起始升角a ^使螺旋天線的圓極化輻射特性達(dá)到最優(yōu)值；通過調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配；所述通孔直徑介于所述射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體直徑和外導(dǎo)體直徑之間；所述螺旋輻射體的螺旋圈數(shù)N至少為2。本發(fā)明的螺旋輻射體采用中空的銅管構(gòu)成；饋電匹配體由厚度為O. Imm的銅箔構(gòu)成；介質(zhì)支撐體由發(fā)泡材料構(gòu)成。本發(fā)明通過改變螺旋升角提升天線的圓極化輻射性能，通過調(diào)節(jié)饋電匹配體的尺寸改善天線的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了在減小天線的尺寸的同時(shí)提高天線性能，制作簡(jiǎn)單、成本低廉，尤其在海事衛(wèi)星通信方面的應(yīng)用更加靈活，可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。本發(fā)明所述的這種軸向模圓柱螺旋天線，下面以L波段海事衛(wèi)星通信應(yīng)用為例進(jìn)行說明；天線的工作中心頻率接近I. 6GHz，當(dāng)滿足螺旋一圈周長(zhǎng)C近似等于中心波長(zhǎng)λ，得到螺旋線半徑R=30mm。螺旋輻射體采用變升角螺旋結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中常常限定天線的總高度，假設(shè)螺旋天線總高度H=50mm,由當(dāng)t=2 π N時(shí)螺旋天線總高度H=Z=R*tan[a ^(ji/lSO) ]*t，得到螺旋終止升角a =1°將為固定值，進(jìn)而在限定天線高度情況下通過調(diào)整螺旋起始升角a ^便可改變天線的輻射性能，起始升角的取值可以大于、小于或等于終止升角CI1，當(dāng)CItl=CI 1時(shí)即為傳統(tǒng)的等螺距螺旋天線，為獲得最優(yōu)的圓極化輻射性能，通過電磁仿真優(yōu)化得到時(shí)圓極化軸比最??；在獲得了螺旋輻射體結(jié)構(gòu)尺寸之后，通過設(shè)有倒L型微帶結(jié)構(gòu)的饋電匹配體對(duì)天線進(jìn)行阻抗匹配，饋電匹配體的水平部長(zhǎng)度I可以對(duì)天線工作頻率進(jìn)行微調(diào)，垂直部高度h的變化主要影響輸入阻抗的實(shí)部，并且h增大，輸入阻抗的實(shí)部減小，水平部和垂直部寬度w的變化主要影響輸入阻抗的虛部，并且w增大，輸入阻抗的虛部增大，綜合調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)天線阻抗的最佳匹配，此時(shí)得到h=6mm,w=18mm, l=29mm,另外饋電匹配體對(duì)螺旋福射體的輻射特性幾乎無影響。本發(fā)明提供的一種軸向模圓柱螺旋天線，采用變升角螺旋結(jié)構(gòu)，使得在限定天線 高度情況下通過調(diào)整螺旋起始升角a ^獲得最優(yōu)的圓極化輻射性能，從而使得本發(fā)明兼有低剖面和高性能的特點(diǎn)；通過設(shè)有倒L型微帶結(jié)構(gòu)的饋電匹配體替代了傳統(tǒng)天線的平面微帶片，利用綜合調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)天線阻抗的最佳匹配；本發(fā)明設(shè)計(jì)靈活、物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、天線性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于包括螺旋輻射體(I)、介質(zhì)支撐體(2)、饋電匹配體(3)、接地板(4)和射頻同軸接頭(5);所述螺旋輻射體(I)由銅管依次右向螺旋環(huán)繞形成圓柱形狀，該螺旋輻射體(I)由圓柱底面圓心起始沿徑向延伸至底面圓周處后，沿軸向上升延伸形成變升角螺旋結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)支撐體(2)固定設(shè)在所述接地板(4)上面；所述饋電匹配體(3)為倒L型微帶結(jié)構(gòu)，分為水平部和垂直部；所述垂直部粘附在介質(zhì)支撐體(2) 的側(cè)面；所述螺旋輻射體(I)的起始端設(shè)在粘附在介質(zhì)支撐體(2)上表面的水平部上，被介質(zhì)支撐體(2)托起；所述射頻同軸接頭(5)垂直設(shè)在所述接地板(4)上，所述接地板(4)在射頻同軸接頭(5)處設(shè)有通孔；所述射頻同軸接頭(5)內(nèi)導(dǎo)體底端穿過通孔，該射頻同軸接頭(5)內(nèi)導(dǎo)體頂端與所述垂直部連接；所述射頻同軸接頭(5)外導(dǎo)體與接地板(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于所述螺旋輻射體的螺旋線參數(shù)方程為X=R*cos (t) ;Y=R*sin (t) ;Z=R*tan {[ α 0+ ( α「α 0) * (t/2 Ji N) ] * ( π /180)} *t ;其中 R 為螺旋線半徑、N為螺旋圈數(shù)、a ^為螺旋起始升角、α I為螺旋終止升角、t為螺旋線環(huán)繞過程中弧度變化值，變化范圍為O < t < 2jiN。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于所述螺旋線半徑 R O. 16 λ，這樣螺旋一圈的周長(zhǎng)C λ,其中λ為螺旋天線中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于當(dāng)N時(shí)螺旋天線總高度H=Z=R*tan [ α # (Ji /180) ] *t，螺旋天線總高度H限定時(shí)通過調(diào)整螺旋起始升角α。 使螺旋天線的圓極化輻射特性達(dá)到最優(yōu)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于通過調(diào)節(jié)饋電匹配體的水平部和垂直部尺寸實(shí)現(xiàn)天線阻抗匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于所述通孔直徑介于所述射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體直徑和外導(dǎo)體直徑之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種軸向模圓柱螺旋天線，其特征在于所述螺旋輻射體的螺旋圈數(shù)N至少為2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸向模圓柱螺旋天線，包括螺旋輻射體、介質(zhì)支撐體、饋電匹配體、接地板和射頻同軸接頭；所述螺旋輻射體由銅管依次右向螺旋環(huán)繞形成圓柱形狀，該螺旋輻射體由圓柱底面圓心起始沿徑向延伸至底面圓周處后，沿軸向上升延伸形成變升角螺旋結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)支撐體固定設(shè)在所述接地板上面；所述饋電匹配體為倒L型微帶結(jié)構(gòu)，分為水平部和垂直部；所述螺旋輻射體的起始端設(shè)在粘附在介質(zhì)支撐體上表面的水平部上，被介質(zhì)支撐體托起；所述射頻同軸接頭垂直設(shè)在所述接地板上，該射頻同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體頂端與所述垂直部連接；所述射頻同軸接頭外導(dǎo)體與接地板連接；本發(fā)明設(shè)計(jì)靈活、物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、天線性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102931490SQ20121042889
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者傅世強(qiáng), 房少軍, 周月 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)