專利名稱：線極化寬頻帶背射螺旋天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信領域的天線技術，特別涉及一種寬頻帶、高增益、線極化的背 射螺旋天線設計。
背景技術：
在靜止軌道衛(wèi)星上用來完成地面數據接收與轉發(fā)功能的天線，工作在LS頻段，要 求實現全球覆蓋波束，即在天線軸向士8度的范圍內具有高增益，同時須采用已有的線極 化工作方式的地面站系統，因此需求一種具有寬頻帶、高增益的線極化天線。作為低頻段高增益的天線來說，背射天線具有制作簡單、可加工性好、成本低、重 量輕等特點，這類天線一般由初級輻射器和圓柱形反射腔兩部分組成，圓柱形反射腔將初 級饋源的電磁波轉換為高增益前向輻射的電磁波，因此可獲得高增益，可作為優(yōu)選。背射天線的帶寬和工作極化方式均是由初級饋源的選擇決定的。常見的線極化工 作的天線多采用振子和螺旋作為初級饋源。采用以振子或者交叉振子作為初級饋源的背射 天線，這類天線一般工作在線極化，但由于振子或者是交叉振子本身的帶寬比較窄，因此天 線的一般相對帶寬也較窄，增益方向圖帶寬約為10%，無法滿足現代通信容量對于天線帶 寬的要求。而采用螺旋作為初級饋源的背射天線，這類天線具有寬頻帶的特性，然而其極化 方式為圓極化，非線極化工作。經檢索，中國專利號Z96108158. 9的“圓極化背射天線”，該背射天線采用螺旋作 為初級輻射器，由初級輻射器和圓柱形反射腔兩部分組成，但該天線工作為圓極化方式，且 該天線采用標準圓柱形反射腔，無法使天線增益最大。專利申請?zhí)枴?00710176520. 8”的 “帶有螺旋饋源的圓極化短背射天線”，公開的背射螺旋天線由主反射器和副反射器、饋源、 輔助支撐等幾部分組成，工作原理是電波在主副兩個反射器之間來回反射，也是實現圓極 化波。專利申請?zhí)枴?00710176521. 2”的“寬頻帶背射螺旋天線”，公開的背射天線由初級輻 射器和賦形反射腔兩部分組成，反射腔將初級輻射器背射的電磁波轉換為高增益前向輻射 的電磁波，具有寬頻帶特性，但并非線極化，而是圓極化工作。目前，國內外未見線極化寬頻帶背射螺旋天線的文獻報道。
發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種高增益的線極化寬頻帶 背射螺旋天線。本發(fā)明的技術解決方案線極化寬頻帶背射螺旋天線，由初級輻射器、饋電組件和 反射腔組件組成，初級輻射器安裝在反射腔組件的中心位置，由第一金屬螺旋臂和第二金 屬螺旋臂雙臂纏繞在介質支撐結構上形成；第一金屬螺旋臂和第二金屬螺旋臂在介質支 撐結構上的對稱位置開始纏繞，一個左旋，一個右旋，相隔每半圈出現相交疊部分；在第一 金屬螺旋臂和第二金屬螺旋臂的底端安裝有一金屬板，金屬板固定在介質支撐結構內，用 于產生背向輻射模式方向圖；饋電組件為同軸結構，由第一連接柱、第二連接柱、變換饋電介質、饋電內導體、饋電外導體和電連接器順次連接而成；第一連接柱與第一金屬螺旋臂固 定連接，第二連接柱與第二金屬螺旋臂固定連接，兩個連接柱將兩個螺旋臂與饋電內導體 固定連接；饋電內導體和饋電外導體之間填充變換饋電介質，變換饋電介質用來進行阻抗 匹配；電連接器的外導體與饋電外導體固定連接；電連接器的內導體插芯插入饋電內導體 中；反射腔組件包括賦形反射腔和邊環(huán)。所述第一金屬螺旋臂和第二金屬螺旋臂具有相同的螺距、圈數和螺旋起始半徑。所述反射腔組件的賦性反射腔形狀為拋物線圍繞螺旋饋源軸線旋轉360度形成， 其拋物線方程為X2 = 4fZ其中，f為拋物線的焦距，X為拋物線在水平方向的值，Z為賦性反射腔的軸向高 度，(X，z)為拋物線的坐標值，隨著軸向高度Z而變化。所述邊環(huán)由賦性反射腔邊緣向上延伸一段λ/4的線段圍繞螺旋饋源 軸線旋轉 360度形成，其中λ為波長。本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于(1)與以振子或者交叉振子作為初級饋源的現有線極化天線相比，本發(fā)明采用雙 線螺旋臂逆繞的形式，保留了背射螺旋的寬頻帶特性，同時實現了線極化的工作模式，擴展 了背射螺旋天線的應用范圍。背射螺旋天線一般頻帶寬、增益高且以圓極化形式工作，而本 發(fā)明采用相同尺寸的左旋螺旋臂和右旋螺旋臂共同組合構成背射螺旋天線的初級輻射器， 電流分布在兩條螺旋臂上，由于螺旋臂旋向相反，導致臂上電流等幅沿不同方向傳輸，通過 左旋和右旋的分解疊加原理，一個方向相互抵消，一個方向相互疊加通過兩螺旋臂的相互 逆繞，最終形成線極化波，特別適合于需要高增益、寬頻帶、線極化方式工作的天線設計。(2)本發(fā)明在螺旋初級輻射器天線采用雙螺旋臂底端安裝有一金屬板，起引向器 的作用，使其產生背向輻射模式方向圖，背向輻射的電磁能量投射到賦形反射腔上之后，通 過反射腔以更集中的方式前向輻射，提高了天線的增益。(3)本發(fā)明的反射腔采用拋物面和邊環(huán)相組合的方式，將初級饋源置于等效焦點 上，使天線獲得最大增益。由于螺旋線初級饋源的電磁能量是非均勻的，如果采用標準的圓 柱形反射腔，因為圓柱形底面是水平的，會形成平板反射，不能使反射能量最大，即反射效 率最佳。因此本發(fā)明將反射腔采用拋物面和邊環(huán)相組合的方式，將初級饋源置于等效焦點 上，從而使天線獲得最大增益。
圖1為本發(fā)明的天線整體結構圖；圖2為本發(fā)明的初級輻射器1的結構圖；圖3為本發(fā)明的饋電組件2的結構圖；圖4為本發(fā)明的反射腔組件3的結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的線極化寬頻帶背射螺旋天線由初級輻射器1、饋電組件2和反射腔組件3 組成。
如圖1所示，本發(fā)明的線極化寬頻帶背射螺旋天線，由初級輻射器1、饋電組件2和 反射腔組件3組成。圖2為初級輻射器結構圖，其中第一金屬螺旋臂11、第二金屬螺旋臂12、介質支撐 結構13、金屬板14。第一金屬螺旋臂11和第二金屬螺旋臂雙臂12在介質支撐結構13上 的對稱位置開始纏繞，第一金屬螺旋臂11左旋，第二金屬螺旋臂12右旋。當然，兩個金屬 螺旋臂的旋向相反即可。在第一金屬螺旋臂11和第二金屬螺旋臂雙臂12的底端安裝一金屬板14，金屬板 14固定在介質支撐結構13內，整個初級輻射器1安裝在反射腔組件3的中心位置。 圖3為饋電組件結構圖，該饋電組件2為同軸結構，由第一連接柱21、第二連接柱 22、變換饋電介質23、饋電內導體24、饋電外導體25和電連接器26順次連接而成。第一連 接柱21與第一金屬螺旋臂11采用錫焊連接，第二連接柱22與第二金屬螺旋臂12采用錫 焊連接，通過兩個連接柱將兩個螺旋臂與饋電內導體24可靠連接；饋電內導體24和饋電外 導體25之間填充變換饋電介質23 ；變換饋電介質23用來進行阻抗匹配；電連接器26的外 導體與饋電外導體25固定連接；電連接器26的內導體插芯插入饋電內導體24中；電連接 器26是市場上出售的N型、或TNC型、或SMA型等類型的接頭。圖4為本發(fā)明的反射腔組件結構圖，反射腔組件3由賦性反射腔31和邊環(huán)32組 成，其中賦性反射腔31和邊環(huán)32共同組成一個整體。賦性反射腔31的形狀為拋物線圍繞螺旋饋源軸線旋轉360度形成，其拋物線方程 為 X2 = 4fZ其中，f為拋物線的焦距，X為拋物線在水平方向的值，Z為賦性反射腔的軸向高 度，(X，z)為拋物線的坐標值，隨著軸向高度Z而變化。本實施例中拋物線的焦距f = 490mm ；賦性反射腔31的軸向高度Z = 46mm ；計算 得到χ = 300mm。設計時可以對這些參數進行優(yōu)化仿真，使天線的性能最佳。邊環(huán)32由賦性反射腔31邊緣向上延伸一段λ /4的線段圍繞螺旋饋源軸線旋轉 360度形成，其中λ為波長。本實施例中λ = 160mm。經測試，本發(fā)明線極化寬頻帶背射螺旋天線的主要性能可以達到方向圖沿天線軸向形成筆形波束，具有良好的對稱性，帶寬可達20%。增益天線正前方增益最大可達19dBi，士8°的邊緣增益可達16dBi。極化方式線極化。當然，對本發(fā)明的各組成部件、位置關系及連接方式在不改變其功能的情況下，進 行的等效變換或替代，也落入本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明未公開的技術屬本領域公知技術。
權利要求
1.線極化寬頻帶背射螺旋天線，由初級輻射器(1)、饋電組件(2)和反射腔組件(3)組 成，其特征在于初級輻射器(1)安裝在反射腔組件的中心位置，由第一金屬螺旋臂(11)和 第二金屬螺旋臂(12)雙臂纏繞在介質支撐結構(13)上形成；第一金屬螺旋臂(11)和第二金屬螺旋臂(12)在介質支撐結構(13)上的對稱位置開 始纏繞，一個左旋，一個右旋，相隔每半圈出現相交疊部分；在第一金屬螺旋臂(11)和第二金屬螺旋臂(12)的底端安裝有一金屬板(14)，金屬板 (14)固定在介質支撐結構(13)內，用于產生背向輻射模式方向圖；饋電組件⑵為同軸結構，由第一連接柱(21)、第二連接柱(22)、變換饋電介質(23)、 饋電內導體(24)、饋電外導體(25)和電連接器(26)順次連接而成；第一連接柱(21)與第 一金屬螺旋臂(11)固定連接，第二連接柱(22)與第二金屬螺旋臂(12)固定連接，兩個連 接柱將兩個螺旋臂與饋電內導體(24)固定連接；饋電內導體(24)和饋電外導體(25)之間 填充變換饋電介質(23)，變換饋電介質(23)用來進行阻抗匹配；電連接器(26)的外導體 與饋電外導體(25)固定連接；電連接器(26)的內導體插芯插入饋電內導體(24)中； 反射腔組件(3)包括賦形反射腔(31)和邊環(huán)(32)。
2.根據權利要求1的線極化寬頻帶背射螺旋天線，其特征在于所述第一金屬螺旋臂 (11)和第二金屬螺旋臂(12)具有相同的螺距、圈數和螺旋起始半徑。
3.根據權利要求1的線極化寬頻帶背射螺旋天線，其特征在于所述賦性反射腔(31) 的形狀為拋物線圍繞螺旋饋源軸線旋轉360度形成，其拋物線方程為X2 = 4fZ其中，f為拋物線的焦距，X為拋物線在水平方向的值，Z為賦性反射腔的軸向高度，(X， Z)為拋物線的坐標值，隨著軸向高度Z而變化；所述邊環(huán)(32)由賦性反射腔(31)邊緣向上延伸一段λ/4的線段圍繞螺旋饋源軸線 旋轉360度形成，其中λ為波長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種線極化寬頻帶背射螺旋天線，由初級輻射器(1)、饋電組件(2)和反射腔組件(3)組成，初級輻射器(1)安裝在反射腔組件的中心位置，由第一金屬螺旋臂(11)和第二金屬螺旋臂(12)雙臂纏繞在介質支撐結構(13)上對稱位置開始纏繞形成；饋電組件(2)為同軸結構，由第一連接柱(21)、第二連接柱(22)、變換饋電介質(23)、饋電內導體(24)、饋電外導體(25)和電連接器(26)順次連接而成；反射腔組件(3)包括賦形反射腔(31)和邊環(huán)(32)。本發(fā)明采用雙線螺旋臂逆繞的形式，保留了背射螺旋的寬頻帶特性，同時實現了線極化的工作模式，擴展了背射螺旋天線的應用范圍。
文檔編號H01Q1/36GK102055077SQ200910210148
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權日2009年10月29日
發(fā)明者凌閩河, 朱培蕓 申請人:西安空間無線電技術研究所