多線寬漸變阿基米德螺旋天線及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無源探測系統(tǒng)微波天線領(lǐng)域，特別涉及一種超寬帶阿基米德螺旋天線 設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子、通信、雷達(dá)等技術(shù)的迅速發(fā)展，整個電子系統(tǒng)的工作頻帶越來越寬，天 線作為輻射和接收電磁波的載體，對寬帶天線的需求日益增多。最早的阿基米德螺旋天線 出現(xiàn)在二十世紀(jì)五十年代，它的有效輻射區(qū)域隨著頻率的變化而改變，因此能夠在很寬的 頻帶范圍內(nèi)工作。同時阿基米德螺旋天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此其在 無源探測、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 在無源探測領(lǐng)域，系統(tǒng)的工作頻帶都很寬，天線部分一般均由多個頻段多種類型 天線組成。如果能夠設(shè)計(jì)一種寬頻帶天線，其可以覆蓋原來幾個天線才能覆蓋的范圍，則不 僅能減小系統(tǒng)的體積，還能減少天線的成本。因此設(shè)計(jì)頻帶寬，同時電性能滿足要求的阿基 米德螺旋天線，對于無源探測系統(tǒng)有極其重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了拓展阿基米德螺旋天線的工作頻帶，使阿基米德螺旋天線能 夠在30倍頻程甚至更大的倍頻程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的方向圖、增益。
[0005] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的解決方案為：根據(jù)天線的工作頻帶確定阿基米 德螺旋輻射器的內(nèi)外徑，采用多組漸變螺旋線寬結(jié)構(gòu)改造傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線，減小 原先單一線寬造成的過多繞線圈數(shù)，其最內(nèi)層線寬須適應(yīng)高頻工作，最外層線寬須適應(yīng)低 頻工作，其它線寬取值介于內(nèi)外線寬之間，總繞線圈數(shù)介于20-30之間，并能夠覆蓋低頻輻 射尺寸要求，同時利用電磁仿真軟件HFSS/CST分析優(yōu)化多組螺旋線的線寬及各組螺旋線 的繞線圈數(shù)。多組漸變螺旋線寬結(jié)構(gòu)僅需改造傳統(tǒng)的單一線寬螺旋線結(jié)構(gòu)，即可在一個天 線上實(shí)現(xiàn)幾個螺旋天線才能達(dá)到的頻帶寬度，將原先由多個天線實(shí)現(xiàn)的功能由一個天線代 替，整體上減小了超寬頻帶范圍內(nèi)天線數(shù)量及尺寸，同時節(jié)約了成本。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：（1)阿基米德螺旋天線工作頻帶能達(dá)到 30倍頻程；(2)阿基米德螺旋天線在30倍頻程范圍內(nèi)輻射方向圖良好；（3)單個天線替代 了多個傳統(tǒng)阿基米德螺旋天線，整體上減少了天線數(shù)量及安裝空間，同時節(jié)約了加工成本。
[0007] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0008] 圖1是多組漸變螺旋線寬結(jié)構(gòu)阿基米德螺旋輻射器；
[0009] 圖2是微帶指數(shù)漸變饋電巴倫；
[0010] 圖3是0. 4GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；
[0011] 圖4是2GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；
[0012] 圖5是8GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；
[0013] 圖6是12GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明提出了一種多線寬漸變阿基米德螺旋天線及其實(shí)現(xiàn)方法，具體實(shí)施步驟 為：
[0015] (1)確定天線的工作頻帶范圍
[0016] (2)確定天線螺旋輻射器的內(nèi)外徑
為低 頻f_對應(yīng)的波長，λ _為高頻f _對應(yīng)的波長，r_為螺旋輻射器的最外半徑，r_為螺旋 福射器的起始半徑）；
[0017] (3)設(shè)計(jì)多組漸變線寬結(jié)構(gòu)螺旋輻射器：
[0018] >根據(jù)天線工作高頻確定螺旋起始線寬W1;根據(jù)天線工作低頻確定螺旋終止線寬 Wn(n為多組線寬總數(shù)）；
[0019] >根據(jù)螺旋天線外徑r_、起始線寬I、終止線寬Wn，確定^至Wn i及η值，并使螺 旋線的線繞圈數(shù)介于20-30之間；
[0020] >根據(jù)以上參數(shù)，利用電磁仿真軟件HFSS/CST建立阿基米德螺旋輻射器模型，仿 真優(yōu)化線寬1至W "值及不同線寬對應(yīng)的螺旋輻射器繞線圈數(shù)；
[0021] (4)設(shè)計(jì)微帶指數(shù)漸變饋電巴倫：
[0022] >根據(jù)螺旋輻射器端口阻抗計(jì)算微帶線線寬；
[0023] 灸采用指數(shù)方程y = aXebx+cXx設(shè)計(jì)指數(shù)漸變巴倫（a、b、c均為常數(shù)，其數(shù)值由 基板材料、長度及巴倫兩端端口阻抗決定）；
[0024] (5)根據(jù)多組漸變線寬螺旋輻射器、微帶指數(shù)漸變巴倫設(shè)計(jì)對應(yīng)的安裝腔；超寬 帶阿基米德螺旋天線工作頻帶達(dá)到30倍頻程，為了保持其寬頻帶特性，腔體內(nèi)部填充微波 吸波材料。
[0025] 根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)得到的多線寬漸變阿基米德螺旋天線，多組漸變螺旋天線線寬 由內(nèi)向外步進(jìn)增加，最內(nèi)層線寬根據(jù)工作頻帶的高頻確定，最外層線寬根據(jù)工作頻帶的低 頻確定，其它線寬介于兩個線寬之間，多種漸變螺旋線寬的總繞線圈數(shù)介于20-30之間。
[0026] 實(shí)例：
[0027] 多組漸變線寬線寬阿基米德螺旋天線工作頻帶為0. 4GHz-12GHz的；螺旋輻射器 采用Arlon AD255作為板材，介電常數(shù)2. 55,厚度1.016mm，螺旋輻射器由四組線寬組成， 從內(nèi)至外各線寬分別為1= 0. 6mm，W2= 0. 9mm，W3= 1. 5mm，W4= 2. 2mm，螺旋線繞總?cè)?shù) 為28 ;微帶巴倫采用Rogers R04350B作為板材，介電常數(shù)為3. 48,介質(zhì)基板厚度1. 524mm， 根據(jù)阻抗匹配要求，微帶巴倫上層金屬兩端線寬分別為0. 8mm及3. 6mm，微帶巴倫下層金屬 地兩端線寬分別為0. 8mm及30mm ;圖3是0. 4GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；圖4是 2GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；圖5是8GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖；圖6 是12GHz阿基米德螺旋天線的輻射方向圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 多線寬漸變阿基米德螺旋天線實(shí)現(xiàn)方法，其特征為： 步驟一：確定天線的工作頻帶范圍：fmin-fmax; 步驟二：確定天線螺旋輻射器的內(nèi)外徑：2 3ir_彡1. 25λ_，r_<λ_/8,其中λ_ 為低頻f_對應(yīng)的波長，λ_為高頻f_對應(yīng)的波長，r_為螺旋輻射器的最外半徑，r_為 螺旋輻射器的起始半徑； 步驟三：設(shè)計(jì)多組漸變線寬結(jié)構(gòu)螺旋輻射器： (1)根據(jù)天線工作高頻確定螺旋起始線寬W1;根據(jù)天線工作低頻確定螺旋終止線寬Wn 其中η為多組線寬總數(shù)；(2)根據(jù)螺旋天線外徑r_、起始線寬％、終止線寬Wn，確定^至 Wni及η值，并使螺旋線的線繞圈數(shù)介于20-30之間；（3)根據(jù)以上參數(shù)，利用電磁仿真軟件 HFSS/CST建立阿基米德螺旋輻射器模型，仿真優(yōu)化線寬1至Wη值及不同線寬對應(yīng)的螺旋 輻射器繞線圈數(shù)； 步驟四：設(shè)計(jì)微帶指數(shù)漸變饋電巴倫： (1)根據(jù)螺旋輻射器端口阻抗計(jì)算微帶線線寬；（2)采用指數(shù)方程y=aXebx+cXx設(shè) 計(jì)指數(shù)漸變巴倫，其中a、b、c均為常數(shù)，其數(shù)值由基板材料、長度及巴倫兩端端口阻抗決 定； 步驟五：根據(jù)多組漸變線寬螺旋輻射器、微帶指數(shù)漸變巴倫設(shè)計(jì)對應(yīng)的安裝腔；超寬 帶阿基米德螺旋天線工作頻帶達(dá)到30倍頻程，為了保持其寬頻帶特性，腔體內(nèi)部填充微波 吸波材料。2. -種多線寬漸變阿基米德螺旋天線，其特征為：多組漸變螺旋天線線寬由內(nèi)向外步 進(jìn)增加，最內(nèi)層線寬根據(jù)工作頻帶的高頻確定，最外層線寬根據(jù)工作頻帶的低頻確定，其它 線寬介于兩個線寬之間，多種漸變螺旋線寬的總繞線圈數(shù)介于20-30之間。
【專利摘要】本發(fā)明公開了多線寬漸變阿基米德螺旋天線及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明可以拓展阿基米德螺旋天線的工作頻帶范圍，使阿基米德螺旋天線在超寬頻帶范圍內(nèi)能夠有效輻射電磁波。本發(fā)明采用多組漸變螺旋線寬結(jié)構(gòu)拓展阿基米德螺旋天線的頻帶帶寬，使阿基米德螺旋天線在超寬頻帶范圍內(nèi)端口阻抗變化小，輻射方向圖良好，并且在低頻段增益能夠達(dá)到一般寬帶阿基米德螺旋天線的增益值。本發(fā)明采用的多組漸變螺旋線寬結(jié)構(gòu)使阿基米德螺旋天線工作頻帶超過30倍頻程，并且天線在工作頻帶范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的方向圖、增益及駐波性能，本發(fā)明將原先多個阿基米德天線實(shí)現(xiàn)的功能用一個天線代替，減小了超寬頻帶使用時天線的數(shù)量及尺寸，同時節(jié)約了成本。
【IPC分類】H01Q1/36
【公開號】CN105261828
【申請?zhí)枴緾N201510746503
【發(fā)明人】徐海鵬, 錢長遠(yuǎn), 王國年
【申請人】中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月5日