專利名稱：一種自補(bǔ)螺旋天線及其作為反射器的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自補(bǔ)阿基米德螺旋天線，本發(fā)明還涉及該天線的用途。
背景技術(shù)：
實(shí)際應(yīng)用中的天線，由于用途和目的不同，比如關(guān)于信號(hào)的發(fā)射或接收方向性的 要求不同，對(duì)各種參數(shù)有著不同的要求側(cè)重點(diǎn)，這使得對(duì)天線的要求有所不同，而普通的平 面螺旋天線常常不能滿足人們的所有要求。雖然可以采用天線陣列的方法解決這個(gè)問題， 但是這樣一來，卻大大增加了整個(gè)天線的口徑和重量，同時(shí)也使得天線的封裝困難，除此以 外，還有可能要影響到天線的其它方面如天線座等的設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于采用天線陣的方法， 既要考慮天線之間在輻射特性上的連貫性，又要防止天線之間產(chǎn)生的各種干擾，從而使得 整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自補(bǔ)螺旋天線，以解決傳統(tǒng)技術(shù)采用天線陣所帶來的天 線的封裝困難、及防止天線之間產(chǎn)生的各種干擾使得整個(gè)天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜化的缺陷。它由 2η個(gè)螺旋天線臂1組成，每個(gè)螺旋天線臂1都為同樣的阿基米德螺旋線形狀，所述多個(gè)螺旋 天線臂1的阿基米德螺旋線原點(diǎn)0都相同，多個(gè)螺旋天線臂1按順時(shí)針或逆時(shí)針等角度排 列，所述η為自然數(shù)，所述多個(gè)螺旋天線臂1所共在的面是內(nèi)凹的拋物面且阿基米德螺旋線 原點(diǎn)0位于拋物面的頂部中心。本發(fā)明還提供了該自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的用途，多個(gè)螺旋天線臂1所共在的 拋物面的焦點(diǎn)作為輻射源的位置。由于本發(fā)明的多個(gè)螺旋天線臂1共面于一個(gè)內(nèi)凹的拋物面，因此不需要多個(gè)平面 螺旋天線排成陣列來滿足天線的方向性要求，解決了傳統(tǒng)技術(shù)采用天線陣所帶來的天線的 封裝困難、及防止天線之間產(chǎn)生的各種干擾使得整個(gè)天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜化的缺陷。本發(fā)明既 可以用為超寬帶天線，也可以用為反射器。


圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是實(shí)施方 式一中第一種輻射帶的電流方向示意圖，圖4是實(shí)施方式一中第二種輻射帶的電流方向示 意圖，圖5是實(shí)施方式二的示意圖，圖6是實(shí)施方式三的Sll (反射損耗)圖，其中輸入阻 抗是237歐姆；圖7是實(shí)施方式三中兩對(duì)相對(duì)臂之間反相饋電產(chǎn)生的和波束的波束仿真效 果圖，其中頻率f = 4GHz ；增益G = 6. 538dB ；圖8是圖7在XOY面遠(yuǎn)場(chǎng)增益極坐標(biāo)上的圖 像；圖9是實(shí)施方式三中兩對(duì)相對(duì)臂之間同相饋電產(chǎn)生的差波束的波束仿真效果圖，其中 頻率f = 4GHz ；增益G = 3. 886dB ；圖10為圖9在XOY面遠(yuǎn)場(chǎng)增益極坐標(biāo)上的圖像，圖11 是自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的波束方向三維立體示意圖，其中頻率f = 35GHz ；增益G = 29. 22dB ；圖12是自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的遠(yuǎn)場(chǎng)極坐標(biāo)系表示的天線波束方向示意圖，其中頻率f = 35GHz, θ = 90度；主瓣增益29. 2dB,主瓣方向90度，半功率寬度5. 3度，副 瓣電平-24. 9dB ；圖13是自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的三角坐標(biāo)系表示的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向示意 圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1至圖4具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式由2η個(gè) 螺旋天線臂1組成，每個(gè)螺旋天線臂1都為同樣的阿基米德螺旋線形狀，所述多個(gè)螺旋天線 臂1的阿基米德螺旋線原點(diǎn)0都相同，多個(gè)螺旋天線臂1按順時(shí)針或逆時(shí)針等角度排列，所 述η為自然數(shù)，所述多個(gè)螺旋天線臂1所共在的面是內(nèi)凹的拋物面且阿基米德螺旋線原點(diǎn) 0位于拋物面的頂部中心。所述的螺旋天線臂1可以選擇為2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)或8個(gè)。兩個(gè)相差180°的螺旋天 線臂1組成一對(duì)螺旋天線相對(duì)臂，作為同一對(duì)中的兩個(gè)螺旋天線相對(duì)臂同相饋電或同一對(duì) 中的兩個(gè)螺旋天線相對(duì)臂反相饋電，會(huì)激發(fā)兩種模式，一種為差模式，一種為和模式，從而 得到“差信號(hào)”和”和信號(hào)”，用于無源判向。以螺旋天線臂1的數(shù)目為4個(gè)舉例說明如下對(duì)于阿基米德螺旋天線而言，四條曲 線定義了兩個(gè)螺旋導(dǎo)體元的邊界。曲線的方程為r = ae+b。r與θ分別為極坐標(biāo)中的 矢徑與幅角，a和b為任意常數(shù)。a為螺旋增長(zhǎng)率。四條曲線的a都一樣，但是b不同。通 常，第一個(gè)導(dǎo)體繞原點(diǎn)0旋轉(zhuǎn)180度即成為第二個(gè)導(dǎo)體。如果bl和b2是決定螺旋天線一 條臂的兩條曲線的參量，則W= |bl-b2即是導(dǎo)體(或螺線元)的寬度。通常是使導(dǎo)體的 寬度與導(dǎo)體間的距離相等，在這種情況下，a與W的關(guān)系是a = 2W/ π。導(dǎo)體的寬度與距離的選取最為方便，主要的考慮是應(yīng)該取得最多的匝數(shù)。一股來 說，都是使得寬度與距離相等，也就是說，天線是自補(bǔ)的(Self-complementary)。做這樣的 選擇是根據(jù)巴比涅-布克(Babinet-Booker)原理算出的天線輸入阻抗是180歐姆(實(shí)際 測(cè)量一股為150歐姆左右)。當(dāng)螺旋天線直徑小于λ/π時(shí)，增益不大，隨著直徑的增加，增 益逐漸加大，最后達(dá)到某一上限。小的螺旋天線增長(zhǎng)率的情況，對(duì)于寬度一定，平均直徑等 于λ/π的環(huán)而言，這一環(huán)中輻射掉的輸入功率的百分?jǐn)?shù)隨著匝數(shù)的增加而增加。同時(shí)，外 端的能量也變小，而且輻射場(chǎng)中與主帶的輻射場(chǎng)逆向的那一部分能量也有所降低。從理論 上講，阿基米德螺旋天線的尺寸只由頻率決定，頻率下限決定了天線的外徑，頻率上限則取 決于螺旋天線中心處的公差。本發(fā)明作為天線使用時(shí)，在微波頻段能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶。實(shí)現(xiàn)了超寬帶的原理如 下按照電流帶法的理論認(rèn)為，螺旋天線的輻射主要在螺旋天線表面的電流帶上進(jìn) 行，在這樣的地方，相鄰螺線元中的電流最接近于同相。如果向螺旋天線的饋電使得進(jìn)入兩 個(gè)螺線元的能量在中心處有著180°的相位差，那么第一個(gè)電流帶就將在一臂中的電流轉(zhuǎn) 過一圈時(shí)而與另一臂中的電流為同相的地方出現(xiàn)。這一條件之所以能出現(xiàn)，是因?yàn)槁菪?線的幾何形狀所致，也就是說，螺旋天線的每下一匝都要比上一匝長(zhǎng)。幾何分析表明，相鄰 螺線元中的電流達(dá)到同相條件是出現(xiàn)在環(huán)的圓周等于一個(gè)波長(zhǎng)之時(shí)。在原點(diǎn)附近，由于兩 螺線元中的電流反向，以至沒有或者只有少量的輻射。離開原點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，相鄰螺線元中電流 關(guān)系變得紊亂起來，沒有什么規(guī)律，因此這一區(qū)域在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的輻射貢獻(xiàn)不大。只有在圓周為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，相鄰螺線元中的電流才同相，也就是說，在這一地方及其附近對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射才 有貢獻(xiàn)。可以推知，存在平均直徑為λ/π的有限寬度電流帶，在此電流帶中相鄰螺線元中 的電流同相或接近同相，這就是第一種輻射帶。如果向螺旋天線的饋電使得進(jìn)入兩個(gè)螺線元的能量在中心有著相同的相位，那么 要滿足相鄰導(dǎo)體中電流為同相的條件，同相饋電時(shí)所要求的距離為反相饋電時(shí)所要求的兩 倍。采用作圖法，可以沿著螺旋天線確切地標(biāo)會(huì)出電流的相位。假定了正弦分布后，螺線元 中的電流可用表明正負(fù)極性的箭頭來代表。根據(jù)表示電流方向的箭頭，可以觀測(cè)到螺線元 中的相位關(guān)系。同相饋電時(shí)，每一臂中的電流皆沿螺線元向外流動(dòng)，經(jīng)過λ/2，然后倒向。 由于兩螺線元是同相饋電的，所以中心處相鄰的螺線元中電流為同相的區(qū)域很?。煌瑫r(shí)，在 這區(qū)域之后通常有匹配板，所以這里產(chǎn)生的輻射很小或者根本沒有。由于螺線元的幾何形 狀，在圓周約為兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)螺線元中的電流便開始同相排列。隨著頻率的增長(zhǎng)，電流帶的位 置逐漸內(nèi)移。除了前面所講的主電流元外，還有次電流元的存在，這兩種電流元在相位上反 相。實(shí)驗(yàn)表明，在螺旋天線的外周上存在次電流帶，正是由于這一電流帶的存在，才使得頻 率較高時(shí)，全向性方向圖這一點(diǎn)變壞。如果不考慮次電流帶，那么理論上的上限截止頻率只 由螺旋天線中心處的最小矢徑?jīng)Q定?？傊?，由于本實(shí)施方式中電流帶能夠在螺線元上移動(dòng)，支持了超寬帶技術(shù)的應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖5具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供了實(shí)施方 式一所述自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的用途，多個(gè)螺旋天線臂1所共在的拋物面的焦點(diǎn)作為 輻射源的位置。自補(bǔ)螺旋天線由四個(gè)螺旋天線臂1組成。四臂的阿基米德螺旋天線利用放置在拋 物面焦點(diǎn)處的輻射源發(fā)射出的球面波，經(jīng)拋物面反射形成定向的平面波束射向空間。根據(jù) 幾何學(xué)原理拋物面的方程可由下式表示X2-Y2 = 4fZ式中f——焦距，即焦點(diǎn)F到拋物面 頂點(diǎn)的距離。由于旋轉(zhuǎn)拋物面具有對(duì)稱性，因此只需研究平面內(nèi)的情況，此時(shí)下式可寫成拋物 線方程X2 = 4fZ拋物面是由拋物線繞它的軸線(Z軸)旋轉(zhuǎn)而成。令極坐標(biāo)系(P，Ψ)的原點(diǎn)與焦點(diǎn)F重合，則相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)拋物面的方程可表示 為ρ = 2f/(l+cos Ψ)設(shè)D為拋物面口徑的直徑，2 Vtl為口徑對(duì)焦點(diǎn)所張的角，由上述關(guān)系式可導(dǎo)出決定 拋物面口徑張角的拋物面焦徑比f/D = l/4ctg(￥0/2)焦徑比的大小表征了拋物面的結(jié)構(gòu)特征，f/D越大，口徑張角越小，拋物面越淺，加 工越容易，但饋源離主反射面越遠(yuǎn)，天線抗干擾能力就越差，反之亦然。拋物面具有如下的幾何光學(xué)特性由焦點(diǎn)發(fā)出的波經(jīng)拋物面反射，其反射波都平 行于ζ軸；平面波沿Z軸入射時(shí)，則被拋物面反射聚焦于F點(diǎn)。其原因是，由焦點(diǎn)發(fā)出的波 經(jīng)拋物面反射后到達(dá)口徑面的行程相等。本實(shí)施方式的自補(bǔ)螺旋天線作為反射器，可以在毫米波波段作為其他天線的反射
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具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖6至圖10具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式舉一個(gè) 應(yīng)用例子說明本發(fā)明的效果。該自補(bǔ)螺旋天線是四個(gè)螺旋天線臂1組成兩對(duì)相對(duì)臂，它的 結(jié)構(gòu)參數(shù)如下D = 190mm d = 4mm W = 2mm拋物線方程為X2 = 200Z f = 50應(yīng)用CST(CST微波工作室，一種國(guó)際公認(rèn)的商用仿真軟件)對(duì)其進(jìn)行仿真分析輸 入阻抗設(shè)為237歐姆。得到Sll (反射損耗)如圖6所示，從該圖可以看出反射損耗Sll < -IOdB可以認(rèn)定天線在此輸入阻抗基本實(shí)現(xiàn)匹配。如圖7所示，此圖是兩對(duì)相對(duì)臂之間 反相饋電產(chǎn)生的波束仿真效果圖，該種波束為和波束，頻率取為4GHz。如圖9所示，此圖是 兩對(duì)相對(duì)臂之間同相饋電產(chǎn)生的波束仿真效果圖，這種波束為差波束，頻率取為4GHz，輸入 阻抗設(shè)為187歐姆。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖11至圖13具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式把實(shí) 施方式三的自補(bǔ)螺旋天線作為反射器，應(yīng)用圓喇叭作為饋源得到天線波束方向，其中圖11 是三維立體表示的天線波束方向，圖12是極坐標(biāo)系表示的天線波束方向，圖13是三角坐標(biāo) 系表示的波束。通過以上三個(gè)圖可以看出，本發(fā)明的自補(bǔ)螺旋天線作為反射器，在增益倍數(shù)上達(dá) 到了 29. 22dB，基本達(dá)到普通反射器的性能參數(shù)，能夠作為反射器使用。
權(quán)利要求
1.一種自補(bǔ)螺旋天線，其特征在于它由2η個(gè)螺旋天線臂(1)組成，每個(gè)螺旋天線臂 (1)都為同樣的阿基米德螺旋線形狀，所述多個(gè)螺旋天線臂(1)的阿基米德螺旋線原點(diǎn)(0) 都相同，多個(gè)螺旋天線臂(1)按順時(shí)針或逆時(shí)針等角度排列，所述η為自然數(shù)，所述多個(gè)螺 旋天線臂(1)所共在的面是內(nèi)凹的拋物面且阿基米德螺旋線原點(diǎn)(0)位于拋物面的頂部中 心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自補(bǔ)螺旋天線，其特征在于所述的螺旋天線臂(1)選擇 為2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)或8個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的自補(bǔ)螺旋天線作為反射器的用途，其特征在于多個(gè)螺旋天線臂 (1)所共在的拋物面的焦點(diǎn)作為輻射源的位置。
全文摘要
一種自補(bǔ)螺旋天線及其作為反射器的用途，本發(fā)明涉及一種自補(bǔ)阿基米德螺旋天線，本發(fā)明還涉及該天線的用途。它解決了傳統(tǒng)技術(shù)采用天線陣所帶來的天線的封裝困難、及防止天線之間產(chǎn)生的各種干擾使得整個(gè)天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜化的缺陷。它由2n個(gè)螺旋天線臂組成，每個(gè)螺旋天線臂都為同樣的阿基米德螺旋線形狀，所述多個(gè)螺旋天線臂的阿基米德螺旋線原點(diǎn)都相同，多個(gè)螺旋天線臂按順時(shí)針或逆時(shí)針等角度排列，所述n為自然數(shù)，所述多個(gè)螺旋天線臂所共在的面是內(nèi)凹的拋物面且阿基米德螺旋線原點(diǎn)位于拋物面的頂部中心。本發(fā)明還提供了該自補(bǔ)螺旋天線作為更高頻率信號(hào)天線反射器的用途，多個(gè)螺旋天線臂所共在的拋物面的焦點(diǎn)作為輻射源的位置。
文檔編號(hào)H01Q15/16GK102074792SQ20101054084
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者宋朝暉, 張書鵬, 張健, 李紅梅, 楊永明, 湯禮雅, 袁樂 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)