專利名稱：一種高低仰角增益圓極化螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及圓極化螺旋天線，特別涉及一種高低仰角增益圓極化螺旋天線。
背景技術(shù)：
目前，全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，中國的北斗二代系統(tǒng)服務(wù)范圍也已基本覆蓋亞太地區(qū)并預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)覆蓋全球，而圓極化天線對該系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。根據(jù)定位原理，接近地面的低仰角信號對定位精度的貢獻(xiàn)最大，而天頂信號雖易于接受但對定位精度的貢獻(xiàn)不大。隨著對定位精度要求的提高，一般要求天線具有較高的低仰角增益，尤其對于北斗系統(tǒng)，衛(wèi)星比較少，對低仰角增益提出了苛刻的要求，有時(shí)要求5°仰角增益大于-O. 5dB，然而目前的圓極化天線普遍存在低仰角增益不足的問題。目前圓極化天線使用最多的是微帶天線和螺旋天線。微帶天線剖面低，制造簡單，成本低，然而方向圖和軸比性能相對于螺旋天線稍顯遜色，其波瓣寬度較窄，難以滿足實(shí)際使用中較高的指標(biāo)要求。傳統(tǒng)螺旋天線具有良好的上半球面方向圖，波瓣寬度寬，但低仰角增益一般不夠高，難以達(dá)到比較高的指標(biāo)要求。而且方向圖一般通過螺旋參數(shù)來調(diào)節(jié)，而這些參數(shù)又會同時(shí)影響天線其他性能，有時(shí)難以平衡兼顧，設(shè)計(jì)過程繁瑣費(fèi)時(shí)。為了改善低仰角增益，最簡單的辦法是改變地板形狀和大小，但這種方法的效果是很有限的，而且會帶來體積和重量增大的缺點(diǎn)。另外，采用錐形螺旋天線可以增加波束寬度，提高低仰角增益，但是提高范圍也是很有限，并且存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有較高的低仰角增益圓極化四臂螺旋天線。本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接；所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)用于將同軸饋電信號分解為四個(gè)幅度相等，相位依次正交的輸出信號，對圓柱形螺旋天線輻射體的螺旋臂進(jìn)行饋電。所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個(gè)相互垂直的振子，兩個(gè)振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個(gè)振子的交叉點(diǎn)位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上；當(dāng)振子作為天線引向器時(shí)，振子的長度小于半個(gè)波長；當(dāng)振子作為天線反射器時(shí)，振子的長度大于半個(gè)波長。所述十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離小于半個(gè)波長。[0014]所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個(gè)金屬螺旋臂，所述四個(gè)金屬螺旋臂沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個(gè)金屬螺旋臂的頂部相互短路連接，底部分別設(shè)有饋電點(diǎn)。當(dāng)振子作為天線引向器時(shí)，振子的長度小于半個(gè)波長，且大于或等于O. 4個(gè)波長。當(dāng)振子作為天線反射器時(shí)，振子的長度大于半個(gè)波長，且小于或等于O. 7個(gè)波長。所述金屬螺旋臂的長度為O. 25個(gè)波長的整 數(shù)倍。本實(shí)用新型的工作原理如下四臂螺旋天線輻射體的圓極化電磁波在十字形交叉振子上形成感應(yīng)電流，可以分解為沿兩個(gè)互相垂直的振子方向的電流，這兩個(gè)電流幅度相等相位正交。該感應(yīng)電流同時(shí)也能輻射圓極化波，但在此，該交叉振子并不是作為獨(dú)立的天線單元，而是作為一個(gè)寄生單元，改善四臂螺旋天線輻射的方向圖。當(dāng)振子長度略小于半個(gè)波長時(shí)，輻射電磁波相位滯后于下方的螺旋天線，所以振子作為天線引向器，起到增加軸向增益，減小后瓣的作用，只要尺寸調(diào)節(jié)合適，也可以使低仰角增益提高。當(dāng)振子長度略大于半個(gè)波長時(shí)，輻射電磁波相位超前于下方的螺旋天線，所以作為天線反射器，起到抑制軸向增益，增加低仰角處增益的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有優(yōu)點(diǎn)和有益效果(I)本實(shí)用新型通過調(diào)節(jié)十字形交叉振子寄生單元的振子長度，在保持圓極化天線良好的輻射性能的同時(shí)，提高低仰角5°處增益到OdB以上。(2)本實(shí)用新型通過調(diào)節(jié)十字形交叉振子寄生單元的振子長度及振子到螺旋天線頂部的垂直距離，可以方便地控制天線輻射方向圖，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的最佳效果。(3)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，調(diào)試方便。(4)本實(shí)用新型采用寬帶功分饋電網(wǎng)絡(luò)，具有帶寬寬的特點(diǎn)，IOdB阻抗帶寬從2GHz 到 2. 8GHz，達(dá)至Ij 800MHz 的帶寬。

圖I為本實(shí)用新型第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的上層微帶電路示意圖。圖3為本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的下層微帶電路示意圖。圖4為本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的右旋增益曲線圖。圖5為本實(shí)用新型的第一個(gè)實(shí)施例的回波損耗曲線圖。圖6為本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例的右旋增益曲線圖。圖7為本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例的右旋增益曲線圖。圖8為本實(shí)用新型的第四個(gè)實(shí)施例的右旋增益曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例I如圖I所示，本實(shí)用新型一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元23和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)8，所述十字形交叉振子寄生單元23位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，所述十字形交叉振子寄生單元23與圓柱形螺旋天線輻射體的距離為O. 25個(gè)波長，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)8位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接。所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個(gè)金屬螺旋臂Γ7，所述四個(gè)金屬螺旋臂Γ7沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個(gè)金屬螺旋臂Γ7的頂部通過圓環(huán)3相互短路連接，底部分別設(shè)有饋電點(diǎn)；金屬螺旋臂的長度為半個(gè)波長。這樣，兩個(gè)位置相對的螺旋臂可以看成一個(gè)天線，長度為一個(gè)波長，四個(gè)螺旋臂可以看成兩個(gè)空間正交放置的天線，又由于這兩個(gè)天線饋電相位正交，因此產(chǎn)生具有上半空間覆蓋方向圖的圓極化輻射。該輻射體結(jié)構(gòu)中的螺旋臂可以用細(xì)銅絲或者其他導(dǎo)體材料制作，不需要支撐體，也可以采用介質(zhì)加載印刷金屬帶，則對于同一頻率相應(yīng)的尺寸需減小。所述功分移相微帶饋電網(wǎng)絡(luò)8包括如圖2所示的上層微·帶電路9和如圖3所示的下層微帶電路11。所述上層微帶電路9上設(shè)有上層威爾金森功分器12 ;下層微帶電路11上設(shè)有下層威爾金森功分器22,上層威爾金森功分器12和下層威爾金森功分器22相同。上層微帶電路9的地板朝下，下層微帶電路11的地板朝上，兩塊地板都為圓形，大小一樣，中間的地板互相貼和，構(gòu)成共同地板10。為了將同軸饋電信號饋到上層微帶電路9，在共同地板10中間開方形縫隙13，在介質(zhì)板上開小圓過孔，便于同軸線內(nèi)導(dǎo)體通過。同軸線內(nèi)導(dǎo)體穿過過孔連接到上層威爾金森功分器12輸入端的功分器饋電線14，外導(dǎo)體連接到下層威爾金森功分器22輸入端的饋電線24。這樣饋到每個(gè)功分器的信號幅度相等，相位相差180°。對于每個(gè)威爾金森功分器，輸入端處都有一段功分器饋線，輸入阻抗均為25歐姆，這樣上下兩端饋線的串聯(lián)電阻為50歐姆，便于與饋電端50歐姆的同軸線相匹配。對于上層微帶電路9，功分器饋線14后接上層威爾金森功分器12，輸出兩路等副信號，傳輸線17比傳輸線16長四分之一波長,貝U輸出端口 19的信號比輸出端口 18的信號滯后90° ,實(shí)現(xiàn)相位正交。傳輸線16和傳輸線17之間接有隔離電阻15。對于下層微帶電路11，功分器饋線24后接下層威爾金森功分器22，輸出兩路等副信號，傳輸線27比傳輸線26長四分之一波長，貝1J輸出端口 29的信號比輸出端口 28的信號滯后90° ,實(shí)現(xiàn)相位正交。傳輸線26和輸線27之間接有隔離電阻25。功分移相微帶饋電網(wǎng)絡(luò)通過兩個(gè)威爾金森功分器將源輸入信號分解為四個(gè)幅度相等，相位依次正交的輸出信號，對螺旋臂Γ7進(jìn)行饋電，公共地板10同時(shí)作為天線的反射板。所述十字形交叉振子寄生單元23包括相互垂直的振子I和振子2，兩個(gè)振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個(gè)振子的交叉點(diǎn)位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上；本實(shí)施例中采用四個(gè)垂直于天線地板平面的絕緣柱子3(Γ33固定。十字形交叉振子寄生單元改變高低仰角增益的原理如下四臂螺旋天線輻射的圓極化電磁波在十字形交叉振子上形成感應(yīng)電流，可以分解為沿兩個(gè)互相垂直的振子方向的電流，這兩個(gè)電流幅度相等相位正交。該感應(yīng)電流同時(shí)也能福射圓極化波，但在此，該交叉振子并不是作為獨(dú)立的天線單元，而是作為一個(gè)寄生單元，改善四臂螺旋天線輻射的方向圖。當(dāng)振子長度略小于半個(gè)波長時(shí)，輻射電磁波相位滯后于下方的螺旋天線，所以振子作為天線引向器，起到增加軸向增益，減小后瓣的作用，只要尺寸調(diào)節(jié)合適，也可以使低仰角增益提高。當(dāng)振子長度略大于半個(gè)波長時(shí)，輻射電磁波相位超前于下方的螺旋天線，所以作為天線反射器，起到抑制軸向增益，增加低仰角處增益的作用。通過調(diào)節(jié)振子長度以及振子到螺旋天線頂部的垂直距離，可以方便地控制天線輻射方向圖，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的最佳效果。該交叉振子形狀可作適當(dāng)變化，只有長度滿足要求即可，如可稍微彎曲變形，也可達(dá)到同樣效果O本實(shí)施例的振子作為天線反射器，振子的長度為O. 58個(gè)波長，其右旋增益曲線如圖4。本實(shí)施例的回波損耗曲線如圖5所示。實(shí)施例2本實(shí)施例除十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離、振子的長度外，其余特征均與實(shí)施例I同。本實(shí)施例除十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離為O. 4個(gè) 波長。本實(shí)施例的振子作為天線引向器，長度為O. 42個(gè)波長，其右旋增益曲線如圖6所
/Jn ο實(shí)施例3本實(shí)施例的振子的長度外，其余特征均與實(shí)施例I同。本實(shí)施例的振子作為天線反射器，長度為O. 7個(gè)波長，其右旋增益曲線如圖7所
/Jn ο實(shí)施例4本實(shí)施例的振子的長度外，其余特征均與實(shí)施例2同。本實(shí)施例的振子作為天線引向器，長度為O. 48個(gè)波長，其右旋增益曲線如圖8所
/Jn ο上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，如螺旋臂的長度還可以取O. 25,0. 75或I個(gè)波長，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)， 所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線福射體的底部連接； 所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個(gè)相互垂直的振子，兩個(gè)振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個(gè)振子的交叉點(diǎn)位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上； 當(dāng)振子作為天線引向器時(shí)，振子的長度小于半個(gè)波長； 當(dāng)振子作為天線反射器時(shí)，振子的長度大于半個(gè)波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離小于半個(gè)波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個(gè)金屬螺旋臂，所述四個(gè)金屬螺旋臂沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個(gè)金屬螺旋臂的頂部相互短路連接，底部分別設(shè)有饋電點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，當(dāng)振子作為天線引向器時(shí)，振子的長度小于半個(gè)波長且大于或等于O. 4個(gè)波長。
5 根據(jù)權(quán)利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，當(dāng)振子作為天線反射器時(shí)，振子的長度大于半個(gè)波長，且小于或等于O. 7個(gè)波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述金屬螺旋臂的長度為O. 25個(gè)波長的整數(shù)倍。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡(luò)位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接；所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個(gè)相互垂直的振子，當(dāng)振子作為天線引向器時(shí)，振子的長度小于半個(gè)波長；當(dāng)振子作為天線反射器時(shí)，振子的長度大于半個(gè)波長。本天線具有工作頻帶寬，方向圖性能良好，低仰角增益高，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q1/36GK202737106SQ201220376958
公開日2013年2月13日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者褚慶昕, 林偉鑫, 潘澤坤 申請人:華南理工大學(xué)