一种全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元的制作方法

本发明涉及现代无线通信技术领域，更具体地说是一种全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元。

背景技术：

随着军事设备、航天飞行器的性能不断向高精度、高速度的方向迈进，对天线实时通讯的质量也不断提出了更高的要求。高效、实时、抗干扰以及高容量的通信天线将成为未来天线研发的总体趋势。圆极化天线兼备显著的防雨雾、抗电磁干扰、抗多孔径衰减等特质，已经被广泛用于无人驾驶技术、远程视频通讯、全球定位系统以及信号屏蔽等领域中。

螺旋结构天线因自身具有的宽频带、宽角度圆极化、高增益、良好的阻抗匹配，以及造价成本低等特点被广泛应用。并且，此结构的天线可通过尺寸的变化来改变方向图，能够快速适应不同的应用场合，无线电通信常采用此结构。但是传统的螺旋结构天线也存在着体积大、结构复杂、制作较难、加工成本高、隐蔽性弱的缺点。

为了克服上述早期螺旋天线的缺点，具有非频变特性的平面螺旋结构的天线被设计出来。现在工程中常见到的平面螺旋结构的天线有：开槽螺旋天线、等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线等。这类天线都具有其他天线不可替代的宽频带内稳定且优良的特性。工程应用中一般需要加设背腔来将该类天线的双向辐射变为单向辐射，以此来提高天线的定向辐射能力以及法向增益和天线效率。但目前现有的螺旋天线多采用微带天线，微带天线不容易实现宽频带的功能，效率偏低，介质易损耗且环境适应性不及金属导体。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种宽频带、小尺寸、可装嵌、高增益的全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元，以期能满足现代无线通信技术对天线带宽和抗干扰能力等指标要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元，其结构特点是：

以全金属等角螺旋结构的辐射臂为辐射区，以圆柱谐振腔为传输区，以同轴馈线为馈电区，利用辐射区、传输区与馈电区实现能量的接收与发送；

所述辐射臂中，每两个等角螺旋臂的末端汇聚并镶嵌一个金属圆片，构成一个偶极子臂；两个偶极子臂的起始端分别连接于四分之三周长的金属馈电圆环缺口两端的长矩形金属块与短矩形金属块上，构成一个偶极子；以处于上下不同平面、呈中心对称分布的上偶极子与下偶极子构成所述辐射臂；

金属反射空腔设于辐射臂的正下方，顶部敞口，所述圆柱谐振腔设于下偶极子的长矩形金属块末端中心；所述同轴馈线以同轴馈线探针为内导体，以锥削巴伦结构的外导体为接地端，内导体与外导体竖置、自金属反射空腔的底部中心向上贯穿至：内导体的顶部穿过所述圆柱谐振腔与上偶极子的金属馈电圆环相连，外导体的顶部与下偶极子的金属馈电圆环相连，使一对偶极子的四个偶极子臂空间位置、臂上电磁波相位均正交。

本发明的结构特点也在于：

锥削巴伦结构的外导体具有自顶部呈0-20°逐渐向下切开的切口。

所述金属反射空腔为全金属空心正方体结构，深度与所述下偶极子距离地面的间距相同。

所述等角螺旋臂的等角螺旋结构由等角螺旋天线的通用公式绘制得到，任意两等角螺旋臂的旋转角均为45°。

所述内导体的顶部是与上偶极子金属馈电圆环上的长矩形金属块相连，外导体的顶部是与下偶极子金属馈电圆环上的长矩形金属块相连。

所述等角螺旋臂、金属圆片、金属馈电圆环的厚度相同。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、为实现天线的小型化以及提高天线的效率，本发明采用自互补结构的非频变天线，强调等角螺旋结构在角度上对电性能的影响；

2、本发明在辐射臂的末端镶嵌金属圆片，可以将残余的电流互相抵消，从而最大限度地减小来自末端的不良反射，优化方向图以及天线的轴比；

3、本发明采用同轴馈线垂直馈电，这种馈电方法是由单个垂直地面的同轴馈电探针来完成馈电，避免在天线下方设计馈电网络；同时这种馈电方法的设计使得天线的金属比、增长率以及其他螺旋参数等方面具有一定的灵活性；

4、为避免同轴馈线垂直馈电方式馈电点的单一性，本发明将同轴馈电探针与一中心金属馈电圆环连接，通过该圆环对一对上偶极子臂进行并联馈电，将另外并联的一对下偶极子臂与同轴的接地端相连，从而保证四个偶极子臂空间位置、臂上电磁波相位均正交，以构成圆极化所需的条件；

5、为使天线与馈线之间的阻抗匹配，满足馈电平衡，同时为避免同轴馈线在馈电时，外导体表面有高频电流流出导致馈电无法平衡这一问题，本发明的外导体采用同轴锥削巴伦结构，将同轴馈线外导体逐渐呈0-20°角度切开，同时使同轴线缓变等效为双传输线，从而实现平衡馈电，随着外导体的切开口逐渐变化，馈线的特性阻抗也随着切口线变化，使得负载与馈线阻抗匹配；

6、由于天线为等角螺旋结构，会出现双向辐射，为使天线实现单向辐射，拥有较高效率，提高增益，本发明在天线背部添加全金属空心正方体结构的金属反射空腔。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是图1中上偶极子的结构示意图；

图3是图1中下偶极子的结构示意图；

图4是图1中同轴馈线的结构示意图；

图5是本发明的回波损耗图；

图6是本发明的电压驻波比图；

图7是本发明的轴比图；

图8是本发明的增益图。

图中，1等角螺旋臂；2金属圆片；3金属馈电圆环；4长矩形金属块；5短矩形金属块；6圆柱谐振腔；7内导体；8外导体；9金属反射空腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图4，本实施例根据现代无线通信对带宽、抗干扰等指标要求，设计出一种全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元，该天线单元具有宽阻抗带宽带、宽轴比带宽、圆极化等性能，同时还具有小尺寸、可装嵌、高增益、馈电简单、损耗低等优点，且是全部采用金属材料，可以加强整个天线的物理强度，在恶劣条件下使用时间更加持久。选择全金属结构一方面能够在保证结构所必要的支撑强度的同时节省了材料，降低成本，另一方面单一加工材料也降低了天线加工的复杂程度。

上述天线单元是以全金属等角螺旋结构的辐射臂为辐射区，以圆柱谐振腔6为传输区，以同轴馈线为馈电区，利用辐射区、传输区与馈电区实现能量的接收与发送；

辐射臂中，每两个等角螺旋臂1的末端汇聚并镶嵌一个金属圆片2，构成一个偶极子臂；两个偶极子臂的起始端分别连接于四分之三周长的金属馈电圆环3缺口两端的长矩形金属块4与短矩形金属块5上，构成一个偶极子；以处于上下不同平面、呈中心对称分布、外形尺寸均相同的上偶极子与下偶极子构成辐射臂；其中，等角螺旋臂1、金属圆片2、金属馈电圆环3的厚度相同；

金属反射空腔9设于辐射臂的正下方，顶部敞口，圆柱谐振腔6设于下偶极子的长矩形金属块4末端中心；同轴馈线以同轴馈线探针为内导体7，以锥削巴伦结构的外导体8为接地端，内导体7与外导体8竖置、自金属反射空腔9的底部中心向上贯穿至：内导体7的顶部穿过圆柱谐振腔6与上偶极子金属馈电圆环3上的长矩形金属块4相连，外导体8的顶部与下偶极子金属馈电圆环3上的长矩形金属块4相连，保证了一对偶极子的四个偶极子臂空间位置、臂上电磁波相位均正交，以构成圆极化所需的条件。由同轴馈线对金属馈电圆环3上的矩形金属块馈电，再通过金属馈电圆环3对辐射臂的一对偶极子进行并联馈电，最后通过辐射臂和金属反射空腔9向上辐射能量。

上述等角螺旋结构的基础模型为双臂结构，偶极子臂的其中一边螺旋臂可由等角螺旋天线的通用公式(1)绘制得到，另一边螺旋臂可由它旋转角度δ得到：

将这一条偶极子臂绕z轴旋转180°便可以得到另一条偶极子臂。其中，r0为螺旋臂的内径，大小与天线的最高工作频率有关，通常取r0＝c/(4·fh)，rmax为螺旋臂的外半径，大小与天线的最低工作频率有关，通常取rmax＝c/(4·fl)，α为衡量螺旋臂卷曲松紧程度的常量，同时也可以控制螺旋臂的旋向，当α>0时，顺时针螺旋；当α<0时，逆时针螺旋。为天线臂旋转角度。δ为两螺旋臂之间的角度差，当δ＝90°时，两偶极子臂之间的夹缝与其中任一偶极子臂形成自互补结构。由于天线的极化方向与其螺旋方向一致，天线单元沿z轴极化方向为逆时针的右旋圆极化，沿-z轴极化方向相反。同时因为天线的可用辐射区域由天线的波长决定，所以它的最大半径rmax和最小半径r0与天线设计的频段有关，天线的最佳设计绕长为1.5圈，α为0.221时可以获取最优的方向图。

在上述双臂结构的基础上，为构成本实施例四臂式的自互补结构，可将其中一螺旋臂旋转角度δ＝45°形成偶极子臂的另一个螺旋臂，再将得到的偶极子臂绕z轴依次旋转90°、180°、270°，从而构成天线的四臂。在天线的末端加入金属圆片，可以将残余的电流互相抵消，从而最大限度地减小来自末端的不良反射，优化方向图以及天线的轴比。

如图4所示，由于四臂等角螺旋天线为自互补结构，阻抗一定且较高，因此在平衡馈电的同时需要进行阻抗匹配。对于同轴馈线馈电而言，需要进行巴伦设计，考虑到渐变式平衡器性能相对优越，适用范围广，且易于在同轴馈线上实现，故选用渐变式平衡器，设计为同轴锥削巴伦结构。锥削巴伦结构的外导体8是通过特殊工艺加工，将其自顶部逐渐呈0-20°向下切开。最后使得同轴馈线缓变等效为双传输线，从而实现平衡馈电。同时，随着外导体8的切口逐渐变化，馈线的特性阻抗也随着切口线变化，使得负载与馈线阻抗匹配。

此外，平面等角螺旋天线是沿着z轴和-z轴方向进行双向辐射的，所以方向图是双向的，近似于“8”字形，因为有两个辐射波瓣，所以增益较低。为使天线实现单向辐射，拥有较高效率，提高增益，本发明实施例在天线背部添加全金属空心正方体结构的金属反射空腔9，根据天线的中心频率f＝4ghz求得对应波长λ＝75mm，一般可以设计空腔深度为天线中心频率对应波长的1/4，且与下偶极子距离地面的间距相同，因此，理论空腔深度为18.75mm，经优化取得空腔深度最佳值为18.4mm，背腔厚度为2mm。

经过仿真测试，由图5、图6可以得到天线的阻抗带宽为2.87ghz～5.5ghz，电压驻波比带宽为2.7ghz～6ghz。由图7、图8可知，天线轴比带宽为2ghz～6ghz，法向最大天线增益为8.9db。

因此，综合考虑各个参数，本发明实施例的全金属四臂等角螺旋圆极化天线单元的可用工作带宽为2.87ghz～5.5ghz，绝对带宽为2.63ghz，相对带宽为62.8％。由此可知，本发明实现了小尺寸、高增益、具有优良的轴比以及方向图的宽带天线的设计目标。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。