一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线
阅读说明：本技术 一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线 (Small ultra-wideband circularly polarized planar helical antenna ) 是由 徐友云 李大鹏 蒋锐 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线,包括作为天线的辐射单元的自补型复合螺旋结构和进行馈电的微带渐变巴伦结构；微带渐变巴伦结构为双面结构,由两条不平衡的微带线渐变为平衡的平行双线,渐变过程中实现了阻抗的变换；所述微带渐变巴伦结构的不平衡端向下延伸至反射器。本发明的天线在2-18GHz工作频带内保持着稳定的辐射特性,天线的阻抗带宽达到了150％(2-18GHz),驻波比小于2,天线在工作带宽内(2-18GHz)保持着优秀的圆极化特性,轴比小于3dB。在保证天线辐射特性、阻抗带宽、轴比带宽的基础上,对天线的平面尺寸和剖面尺寸都进行了缩减,达到了小型化的特性。(The invention discloses a small ultra-wideband circularly polarized planar helical antenna, which comprises a self-complementary composite helical structure used as a radiating unit of the antenna and a micro-strip gradient balun structure for feeding; the microstrip gradual change balun structure is a double-sided structure, two unbalanced microstrip lines are gradually changed into balanced parallel double lines, and impedance transformation is realized in the gradual change process; the unbalanced end of the microstrip graded balun structure extends down to the reflector. The antenna of the invention keeps stable radiation characteristic in 2-18GHz working frequency band, the impedance bandwidth of the antenna reaches 150% (2-18GHz), the standing-wave ratio is less than 2, the antenna keeps excellent circular polarization characteristic in the working bandwidth (2-18GHz), and the axial ratio is less than 3 dB. On the basis of ensuring the radiation characteristic, the impedance bandwidth and the axial ratio bandwidth of the antenna, the plane size and the section size of the antenna are reduced, and the characteristic of miniaturization is achieved.)
技术领域
本发明涉及一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线。
背景技术
无线通信利用电磁波在空间中自由传播的特性来实现信息的远距离交换。天线将高频电流与电磁波进行交换，从而使系统发射或接收不同形式的电磁波。对于无线通信系统来说，天线性能的好坏对其工作效能有着巨大影响，因此天线技术的发展是当前无线通信技术发展中至关重要的一环。
随着科技的不断发展，无线电频谱不断地得到开拓，无线电系统的带宽也不断地扩展，超宽带(UWB)天线在高速率毫米波无线通信领域有其特有的优势。
现有的超宽带天线经常采用螺旋天线、槽线天线、vivaldi天线、磁电偶极子天线等结构。其中，只有螺旋天线可以产生圆极化波，与线性极化相比，圆极化的优点是能够减少电离层中的法拉第旋转效应，无需严格限制发射器和接收器天线之间的方向，并且非常有效地减少了来自地面或其他物体的多径干扰。传统的螺旋天线一般采用锥形对数螺旋结构，该种天线缠绕于锥体或圆台，可形成单向电磁辐射，但由于其形状和尺寸的复杂性，该种天线的应用场合比较特殊。由此衍生出的平面螺旋天线采用自补型螺旋线结构，该种天线由两条长、宽相等的金属带线反向盘旋而构成平面螺旋形，天线的金属部分与空白处呈现互补关系。常用的平面螺旋结构有等角螺旋结构、阿基米德螺旋结构等，这种自补型结构使天线能达到近似的非频变特性，使其极化特性能实现轴比低于3dB的近圆极化特性，带宽可以实现多倍频程的超宽带特性。
由于在特征和应用上的独特性，平面螺旋天线的设计面临各种具有挑战性的问题，如圆极化特性、阻抗，相位，增益，方向图都要在极宽的带宽内有良好的特性并且天线尺寸要小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中平面螺旋天线无法在小尺寸下具有极宽带宽的缺陷，提供一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明的目的是提供一种小型化超宽带圆极化平面螺旋天线，工作带宽为2-18GHz，主要包括但不限于一种将不平衡转换为平衡的微带巴伦馈电结构，一种自补型复合螺旋结构，一种底部开槽的反射器结构。
自补型复合螺旋结构作为天线的辐射单元，这种复合结构采用“阿基米德螺旋+正弦螺旋”的结构，中心采用阿基米德螺旋结构，外端采用正弦螺旋结构来弯折螺旋天线臂，在保证辐射带内天线臂的电长度不变的情况下，有效地缩小了螺旋天线的尺寸。
自补型复合螺旋结构通过外接微带线进行馈电，由于自补型平面螺旋天线的结构是平衡对称的，传统的微带馈电结构是不平衡馈电结构，因此需要采用一种平衡-非平衡转换的巴伦结构。常见的巴伦结构通常采用加载了短路金属柱的同轴线结构作为辐射器的馈电线，同轴电缆本身的特性阻抗为50Ω，但实际中平面螺旋结构辐射器的特性阻抗稳定在120-140Ω，不会随着天线臂的改变发生太大的变化，因此同轴线结构变得不适用。为了既保证辐射器和馈电结构的阻抗匹配，又实现馈电结构的巴伦平衡特性，采用微带渐变巴伦结构进行馈电，这种巴伦结构为双面结构，它由两条不平衡的微带线渐变为平衡的平行双线，渐变过程中实现了阻抗的变换。传统的巴伦结构长度应为天线工作的下限频率对应的波长的1/2，这大大增加了天线的尺寸，为了降低天线的剖面实现小型化特性，在不影响天线带内特性的情况下减小了馈线的长度。
为了抑制平面螺旋天线双向辐射的特性，提供了一种底部开槽的圆形反射器结构，圆形金属地中间开十字形槽，四周加载金属背腔，在不影响馈电的情况下，有效的将向下辐射的左旋圆极化波转化为向上辐射的右旋圆极化波，提高了天线的定向增益。
为了进一步降低天线的高度，将微带巴伦结构进行弯折，通过测馈的方式进行馈电，大幅度减小天线剖面。但由于微带线平行于螺旋线结构，产生了一定互耦影响，为了消除这种影响，需要延长微带线长度，增大了天线的平面尺寸。
有益效果：
本发明的天线在2-18GHz工作频带内保持着稳定的辐射特性，天线的阻抗带宽达到了150％(2-18GHz)，驻波比小于2，天线在工作带宽内(2-18GHz)保持着优秀的圆极化特性，轴比小于3dB。在保证天线辐射特性、阻抗带宽、轴比带宽的基础上，对天线的平面尺寸和剖面尺寸都进行了缩减，达到了小型化的特性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的一种新型天线的结构示意图；
图2为本发明提供的天线的俯视图；
图3为本发明提供的天线辐射器单独仿真的回波损耗图；
图4为本发明提供的天线辐射器单独仿真的轴比带宽图；
图5为本发明提供的天线微带巴伦馈电结构示意图；
图6为本发明提供的天线微带巴伦馈电结构的回波损耗图；
图7为本发明提供的天线辐射器和馈电结构整体仿真的回波损耗图；
图8为本发明提供的天线辐射器和馈电结构整体仿真的轴比带宽图；
图9为本发明提供的天线辐射器和馈电结构整体仿真的2GH右旋圆极化方向图；
图10为本发明提供的天线辐射器和馈电结构整体仿真的9GH右旋圆极化方向图；
图11为本发明提供的天线辐射器和馈电结构整体仿真的18GH右旋圆极化方向图；
图12为本发明提供的天线加载反射腔的2GH右旋圆极化方向图；
图13为本发明提供的天线加载反射腔的9GH右旋圆极化方向图；
图14为本发明提供的天线加载反射腔的18GH右旋圆极化方向图；
图中数字所表示的相应部件名称：1、自补型复合螺旋结构2、渐变微带同轴巴伦馈电结构3、FR4介质基板4、反射器5、十字形开槽结构；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参照附图1所示，一种小型超宽带圆极化平面螺旋天线，包括作为天线的辐射单元的自补型复合螺旋结构1和进行馈电的微带同轴渐变巴伦结构2；
微带同轴渐变巴伦结构2为双面结构，由两条不平衡的微带线渐变为平衡的平行双线，渐变过程中实现了阻抗的变换；微带同轴渐变巴伦结构2的不平衡端向下延伸至反射器4，反射器4底部开十字形槽5，四周加载环形反射腔。
自补型复合螺旋结构放置于FR4介质板3上层作为天线的辐射器，辐射器中心加载双面平行的渐变微带巴伦结构进行馈电。
具体的，参照附图2所示，从天线的俯视图中可以看到自补型复合螺旋线的具体结构，复合螺旋线采用“阿基米德螺旋+正弦螺旋”的结构，阿基米德加正弦函数的方程为：
其中，ρ表示极坐标系中的矢径，为中心阿基米德螺旋的幅角，为外端正弦螺旋的幅角，r0为起始半径，a为阿基米德螺旋线增长因子，b为螺旋线间距，c为加载的正弦线幅度，d为加载的正弦线周期。
天线下限频率对应的波长决定了螺旋线外径的大小，螺旋线内径2r0决定了天线的上限频率和阻抗匹配，自补结构输入阻抗理论值为188.5Ω，实测值约为140Ω。通过计算取天线的外径为60mm，内径为4.2mm。为了使天线形成自补结构以在宽频带内有良好的阻抗特性，天线的线宽w和螺旋线间距b的宽度一致。螺旋线增长因子a代表了螺旋线的密度，密度越高，终端反射越小，但也会造成传输线损耗过大，影响天线辐射效率，一般取(2*w)/π。正弦线幅度c对互补两个螺旋线之间的耦合起决定作用，周期d同增长因子a一样影响着终端反射系数。这种复合型螺旋线结构有效地延长了辐射带内天线臂的电长度，减小了天线的平面尺寸。整个螺旋结构加载在厚度为1mm的FR4介质板上(介电系数为2.65，损耗角正切为0.02)。
参照附图3、4所示，对辐射器进行单独仿真，天线下限频率达到1.61GHz，优于预期2GHz结果，这主要是因为天线臂电长度的增加导致下限频率的延伸。天线的上限频率远高于18GHz，在高频处达到了近似非频变得特性；天线轴比在2-18GHz内低于2.25dB，实现了优秀的圆极化特性。辐射器的优异性能也为后续加载馈电结构导致的阻抗匹配和平衡性问题所产生的影响提供了保障。
参照附图5所示，所述螺旋线通过两条平行微带线进行馈电。一方面，两条平行微带线分别对两条自补螺旋线进行馈电，它将不平衡的微带线转换为两条平衡等宽的平行微带线，实现了不平衡-平衡转换的巴伦结构；另一方面，两条微带线均采用指数型渐变的方式进行阻抗变换。在不平衡端的一条微带线作为传输线，输入阻抗为50Ω，另一条微带线作为接地线，线宽为不平衡端传输线的5倍。平衡端的两条微带线具有相同的输出阻抗，为140Ω。所述渐变巴伦微带结构加载在厚度为1mm的FR4介质板两侧(介电系数为2.65，损耗角正切为0.02)。值得注意的是，平衡端巴伦结构略高于辐射器，有助于两者焊接馈电。一般的巴伦馈电结构长度应为天线工作的下限频率对应的波长的1/2，即75mm，为了减小天线的高度，在保证微带线输入阻抗和输出阻抗不变的前提下，将微带线长度缩短为30mm。
参照附图6所示，对缩短后的馈电结构进行单独仿真，在2-18GHz工作频带内，馈电结构的反射系数均小于-15dB，微带线具有良好的传输特性。但巴伦结构长度的减少会导致传输相位的变化，从而影响辐射器的平衡特性，对天线低频的带宽和高频的轴比产生较大的影响。
得益于辐射器的优异性能，参照附图7、8所示，加载了巴伦馈电结构的平面螺旋天线在工作频段(2-18GHz)内，回波损耗依然能全部低于-10dB，轴比低于3dB，实现了良好的圆极化特性。
参照附图9、10、11所示，其表示的是天线低、中、高频的右旋圆极化方向图，天线的E面和H面方向图等化程度较高，天线辐射方向上表现出良好的右旋圆极化特性，除2GHz低频处天线增益较低外，天线整体增益平坦度高，增益在4.5dB左右。导致低频方向图增益下降的原因主要是巴伦结构的缩短，导致低频处截止频率的提高，低频处不平衡性变强，传输效率降低。
进一步提高天线右旋圆极化增益，考虑到该平面螺旋天线会产生双向辐射特性，天线辐射反方向产生左旋圆极化波，因此在天线底部加载了开槽的圆形反射器结构。圆形金属地直径为60mm，中间开十字形槽，十字形槽略大于同轴馈电结构介质板横截面尺寸，防止馈电接地短路。十字形槽中心对称的结构特性可以将反射的左旋圆极化波转化为右旋圆极化波，进而提高天线的增益。
参照附图12、13、14所示，其表示的是加载了反射腔的天线低、中、高频的右旋圆极化方向图，天线低频处增益提高了2dB左右，其余频点处增益均提高了4dB左右，实现了高增益的特性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。