一种小型化宽带圆极化槽螺旋天线

1.本发明涉及天线技术领域，具体为一种小型化宽带圆极化槽螺旋天线。


背景技术：

2.通常，天线对信号的接收需要遵循极化适配的原则。因此，在一些电磁环境比较复杂的通信平台中，例如卫星通信、定位导航系统等，为了避免极化失配带来的损耗，以及抑制多径散射和多径干扰，需要天线具有良好的圆极化特性。因此，人们纷纷将目光投向了具有宽频带、圆极化、高增益以及良好的定向辐射特性的螺旋天线。近年来，为了满足各种实际应用的需求，引入了许多有关螺旋天线的设计，例如定位系统、无线电力传输(wpt)系统、高功率微波系统和雷达系统。这些天线通常具有宽带圆极化特性，但具有不可忽视的缺点——具有较大的电尺寸。然而，在复杂的通信环境中往往更加要求天线具有尽可能小的尺寸，以避免造成空间拥堵等问题。因此，如何能够实现螺旋天线的高度小型化的同时，保持它原有的宽带圆极化辐射特性成为了一个难题，并且引来了诸多学者的研究。
3.在小型化宽带圆极化螺旋天线的研究方面，科研人员提出了很多方法包括：采用低俯仰角和少量匝数的结构、半球形配置、平面配置、加载圆形导电盘和高介电常数基板、利用微带耦合馈线。虽然这些方法是有效的，但是辐射体的整体电尺寸仍然被认为是相当大的，使其难以满足许多空间有限的平台系统的要求。此外，近年来也鲜有报道进一步缩小螺旋天线辐射体尺寸，以达到更小的电尺寸水平的相关工作。因此，实现具有宽圆极化工作带宽的高效、紧凑的圆极化螺旋天线在目前天线领域中仍然具有挑战性。
4.在cn 2852450y中公开了一种名称为“小型宽带圆极化球面螺旋天线”的发明专利，该专利文件采用同轴直馈型双导线结构，并采用了半球形和两段直径不同的圆柱体结构扩展天线的工作频带，通过渐变开槽的同轴线以实现阻抗的良好匹配；由于该文献中采用的直馈型双导体结构以及加载了多层基板结构，导致辐射体结构较大，半径约为1λ，工作带宽为800-2700mhz，相对带宽为107％。不能满足现有小型化的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种小型化宽带圆极化槽螺旋天线，该天线结构能够在小型化的情况下保持较宽的有效带宽。
6.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括金属地板，以及设置在所述金属地板上的驱动螺旋单极子，以及设置在所述金属地板上且蚀刻有第一弯曲螺旋槽和第二弯曲螺旋槽的半球形金属表面辐射体，以及设置在所述金属地板下方的同轴馈电；
7.所述驱动螺旋单极子置于半球形金属表面辐射体的正下方，所述驱动螺旋单极子与半球形金属表面辐射体之间形成空气层；
8.所述同轴馈电的内导体与所述驱动螺旋单极子的一端接连，所述同轴馈电的外导体语金属地板连接。
9.进一步，所述驱动螺旋单极子包括第一介质基板、直线金属杆、螺旋金属杆；
10.所述第一介质基板为空心半球形，所述螺旋金属杆嵌入安装在所述第一介质基板的外表面；
11.所述直线金属杆悬置于金属地板上且位于所述第一介质基板内，所述直线金属杆的一端与所述同轴馈电的内导体连接，所述直线金属杆的另一端与螺旋金属杆的一端连接。
12.进一步，还包括设置在所述金属地板上的第二介质基板，所述第二介质基板为空心半球形；
13.蚀刻有第一弯曲螺旋槽和第二弯曲螺旋槽的半球形金属表面辐射体设置在所述第二介质基板外表面；
14.所述第一弯曲螺旋槽、第二弯曲螺旋槽相互平行设置且具有相同的螺旋角度，所述第一弯曲螺旋槽的长度长于所述第二弯曲螺旋槽的长度；
15.所述半球形金属表面辐射体不与金属地板连接，所述第一介质基板与第二介质基板具有相同的球心，且所述第一介质基板位于所述第二介质基板内侧，所述第一介质基板与第二介质基板之间形成空气层。
16.进一步，所述金属地板的半径为200-400mm；
17.所述第一介质基板的外半径r1为50mm，所述第一介质基板的壁厚h1为6mm；
18.所述第二介质基板的外半径r2为57mm，所述第一介质基板的壁厚h2为2mm；
19.所述第一介质基板、第二介质基板的材料均为树脂，相对介电常数为3.01，损损耗角正切为0.02，所述第一介质基板和第二介质基板间的间隙为0.5-2mm。
20.进一步，所述直线金属杆的长度l1为50-60mm；
21.所述螺旋金属杆的宽度l2为3-4mm，螺旋角α1为6.79
°
，螺旋匝数为1.11匝。
22.进一步，所述半球形金属表面辐射体的外半径r2为50-60mm；
23.所述第一弯曲螺旋槽的宽度w1为1.4-1.5mm，所述第二弯曲螺旋槽的宽度w2为1.3-1.4mm；
24.所述第一弯曲螺旋槽的螺旋角α2以及第二弯曲螺旋槽的螺旋角α3均为3.66
°
，所述第一弯曲螺旋槽与第二弯曲螺旋槽的螺旋匝数均为3.18匝；
25.相互平行的第一弯曲螺旋槽与第二弯曲螺旋槽之间的间距g1为1-3mm。
26.进一步，所述金属地板的半径为300mm，所述第一介质基板和第二介质基板间的间隙为0.8mm。
27.进一步，所述直线金属杆的长度l1为56mm，所述螺旋金属杆的宽度l2为3.7mm。
28.进一步，所述半球形金属表面辐射体的外半径r2为57mm；
29.所述第一弯曲螺旋槽的宽度w1为1.45mm，所述第二弯曲螺旋槽的宽度w2为1.36mm，相互平行的第一弯曲螺旋槽与第二弯曲螺旋槽之间的间距g1为1.6mm。
30.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
31.1)天线为宽带圆极化天线，可以有效的增大所应用系统的数据传输速率，提高系统的工作在效率；
32.2)本发明可以的可以在电小尺寸前提下实现0.765-0.927ghz的有效带宽；
33.3)相对于传统的轴向模螺旋天线，本发明中所提出的基于近场谐振寄生的槽螺旋结构具有小型化宽带圆极化高增益特性。
34.4)本技术中所采用近场谐振寄生技术可以在小型化的同时扩展天线频带，同时采用耦合馈电型双槽辐射结构，进一步扩展天线频带。此外，由于近场谐振寄生技术的引入，天线可在宽带内实现良好的阻抗匹配。
35.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
36.本发明的附图说明如下。
37.图1为本发明槽螺旋天线的结构示意图。
38.图2为本发明槽螺旋天线整体结构的正视图。
39.图3为本发明槽螺旋天线中驱动螺旋单极子的结构示意图。
40.图4为本发明槽螺旋天线中半球形金属表面辐射体的结构示意图。
41.图5为本发明实施例中槽螺旋天线的反射系数曲线图。
42.图6为本发明实施例中槽螺旋天线的轴比曲线图。
43.图7为本发明实施例中槽螺旋天线的可实现增益曲线图。
44.图8为本发明实施例中槽螺旋天线的辐射效率曲线图。
45.图中：1-金属地板；2-驱动螺旋单极子；3-第一弯曲螺旋槽；4-第二弯曲螺旋槽；5-半球形金属表面辐射体；6-第一介质基板；7-第二介质基板；8-直线金属杆；9-螺旋金属杆；10-同轴馈电。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
47.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
48.如图1-图4所示的一种小型化宽带圆极化槽螺旋天线，其特征在于，包括金属地板1，以及设置在所述金属地板1上的驱动螺旋单极子2，以及设置在所述金属地板1上且蚀刻有第一弯曲螺旋槽3和第二弯曲螺旋槽4的半球形金属表面辐射体5，以及设置在所述金属地板1下方的同轴馈电10；
49.所述驱动螺旋单极子2置于半球形金属表面辐射体5的正下方，所述驱动螺旋单极
6.69dbic；
72.如图8所示，所设计的天线在有效工作带宽内的辐射效率高于60％。
73.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。