一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，包括同轴内导体、与同轴内导体的上端相接的竖直延长段，与竖直延长段的侧壁相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第一螺旋分支，与竖直延长段顶部相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第二螺旋分支，设于同轴内导体外围的同轴外导体，与同轴外导体的顶部相接并设于同轴内导体外围的背腔底板，与背腔底板的顶部相接并设于竖直延长段外围的背腔侧壁。本发明采用双分支螺旋串联的形式实现微波辐射，巧妙地在竖直延长段上不同位置处分别引出两端螺旋分支，从而将高频电流分流成两部分，有效地解决了原来单分支螺旋天线中的电场集中问题，通过优化设计，可以显著提高螺旋天线的功率容量。
【专利说明】
一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线
技术领域
[0001]本发明属于微波辐射领域，特别是高功率容量微波辐射天线领域，具体涉及一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线。
【背景技术】
[0002]高功率微波辐射技术是高功率微波技术的重要组成部分，高功率微波辐射天线的研究越来越受到人们的重视。高功率径向线螺旋阵列天线是近年来提出并发展起来的一种新型高功率微波辐射天线，它可以实现高功率微波的定向辐射，具有高功率容量、高效率、小型化、阵列化等优点。
[0003]在高功率径向线螺旋阵列天线中，采用轴向模辐射的螺旋天线作为单元天线。前述相关研究已经表明，单元天线是实现整个阵列天线功率容量要求的核心环节。因此为了提高阵列天线的功率容量，探索实现具有更高功率容量的单元天线具有重要的意义。根据高功率径向线螺旋阵列天线的特点，其单元天线需要满足的要求包括:具有较高的功率容量，能够实现椭圆极化，采用同轴波导馈电等。
[0004]在前述相关研究中，所采用的螺旋天线均为单分支的形式，其基本结构为:天线由同轴内导体馈电，同轴内导体向上延伸一段距离后与一水平方向的横杆相连，横杆末端连接一段与同轴波导共轴的少匝数螺旋线。研究表明，在同轴内导体延伸段与横杆连接处、横杆与螺旋线连接处，由于结构突变，容易成为电场集中的位置，使得单元天线的功率容量降低，一般情况下都会成为阵列天线的功率容量瓶颈。国内外学者对同轴馈电的螺旋天线进行了大量的研究，但都没有关注其功率容量，因此尚没有能够满足更高功率容量需求的螺旋天线的报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，该螺旋天线在满足同轴波导馈电、椭圆极化辐射的前提下，可较大幅度地提高单元天线的功率容量，可用于解决高功率径向线螺旋阵列天线中单元天线功率容量不足的问题，也可用于其它要求高功率容量的应用场合。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]—种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，包括同轴内导体、与同轴内导体的上端相接的竖直延长段，与竖直延长段的侧壁相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第一螺旋分支，与竖直延长段顶部相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第二螺旋分支，设于同轴内导体外围的同轴外导体，与同轴外导体的顶部相接并设于同轴内导体外围的背腔底板，与背腔底板的顶部相接并设于竖直延长段外围的背腔侧壁。
[0008]本发明的工作原理是:微波由同轴波导输入，在同轴内导体上激励起高频电流，该高频电流通过竖直延长段分流至第一个螺旋分支和第二个螺旋分支;第一个螺旋分支和第二个螺旋分支均采用轴向模工作的短螺旋天线形式，分别在其轴向辐射椭圆极化波。通过采用背腔结构，降低相邻螺旋天线之间的互耦影响。
[0009]本发明采用双分支螺旋串联的形式实现微波辐射，巧妙地在竖直延长段上不同位置处分别引出两端螺旋分支，从而将高频电流分流成两部分，有效地解决了原来单分支螺旋天线中的电场集中问题，通过优化设计，可以显著提高螺旋天线的功率容量。
[0010]具体地，所述同轴内导体、竖直延长段、第一螺旋分支、第二螺旋分支、同轴外导体、背腔底板以及背腔侧壁的轴线重合。
[0011 ]进一步地，所述第一螺旋分支的起始点与第二螺旋分支的起始点在初始方向上存在夹角。第一个螺旋分支的起始点与第二个螺旋分支的起始点在初始方向上呈一定角度，从而通过空间相位差来补偿两个螺旋分支因馈电点不同引起的馈电相位差，使其在空间实现同相叠加。
[0012]更进一步地，所述第二螺旋分支的螺旋半径比第一螺旋分支的螺旋半径略小。以使第一个螺旋分支实现良好的辐射。
[0013]作为优选，所述第一螺旋分支和第二螺旋分支均包括一次成型的三段导线，其中，第一段均为具有升角的圆弧形导线，第二段均为平滑过渡段，第三段均为少匝数、小螺距的螺旋线。所述竖直延长段顶部、第一螺旋分支的末端、第二螺旋分支的末端为球缺结构。这样可以尽量平滑螺旋天线中的结构突变，有利于提高天线的功率容量。
[0014]作为优选，所述同轴外导体的内表面、背腔底板的内表面、背腔侧壁的内表面均为圆筒形。背腔侧壁的外表面、背腔底板的外表面的形状与该天线使用环境的允许形状相同。这样使得该天线可以应用于各种栅格形式的阵列天线中。所述同轴外导体和背腔底板的内径相同均大于同轴内导体的外径且小于第一螺旋分支的外径，背腔侧壁的内径大于第一螺旋分支的外径。
[0015]另外，所述同轴内导体、竖直延长段、第一个螺旋分支、第二个螺旋分支、同轴外导体内壁、背腔底板上表面、背腔侧壁均由金属制成，或由介质材料表面镀金属膜制成。整个螺旋天线可通过现有加工方式容易地实现。
【附图说明】
[0016]图1为本发明-实施例双分支螺旋天线的局部结构示意图。
[0017]图2为本发明-实施例的剖视结构示意图。
[0018]图3为本发明-实施例用于一高功率径向线螺旋阵列天线中的阵面示意图。
[0019]图4为本发明-实施例单个螺旋天线的连接结构示意图。
[0020]图5为本发明-实施例用于一高功率径向线螺旋阵列天线的轴比图。
[0021 ]其中，附图中标记对应的零部件名称为:
[0022]!一同轴内导体，2—竖直延长段，2b—竖直延长段顶部，3—第一螺旋分支，3a—第一螺旋分支第一段，3b一第一螺旋分支第二段，3c一第一螺旋分支第三段，4一第二螺旋分支，4a—第二螺旋分支第一段，4b—第二螺旋分支第二段，4c 一第二螺旋分支第三段，5—同轴外导体，5a—同轴外导体内壁，6—背腔底板，6a—背腔底板上表面，7—背腔侧壁，7a—背腔侧壁的内表面，8—馈电系统，9 一親合探针，10—顶板。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
[0024]实施例
[0025]如图1和图2所示，一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，同轴内导体1、竖直延长段2、第一螺旋分支3、第二螺旋分支4、同轴外导体5、背腔底板6、背腔侧壁7;其中，竖直延长段2与同轴内导体I的上端相接，第一螺旋分支3与竖直延长段2—定高度处的侧壁相接，第二螺旋分支4与竖直延长段2顶部相接，第一螺旋分支3、第二螺旋分支4均以同轴内导体I为中心螺旋延伸，同轴外导体5设于同轴内导体I外围，背腔底板6与同轴外导体5的顶部相接并设于同轴内导体I外围，背腔侧壁7与背腔底板6的顶部相接并设于竖直延长段2外围。在本实施例中，同轴外导体5和背腔底板6的内径相同均大于同轴内导体I的外径且小于第一螺旋分支3的外径，背腔侧壁7的内径大于第一螺旋分支3的外径，背腔底板6和背腔侧壁7的外径相同且大于同轴外导体5的外径。
[0026]同轴内导体1、竖直延长段2、第一螺旋分支3、第二螺旋分支4、同轴外导体5、背腔底板6以及背腔侧壁7的轴线重合;第一螺旋分支3的起始点与第二螺旋分支4的起始点在初始方向上呈一定角度。
[0027]本实施例中，同轴内导体1、竖直延长段2、第一螺旋分支3、第二螺旋分支4、同轴外导体5内壁5a、背腔底板6上表面6a、背腔侧壁7均由介质材料表面镀金属膜制成。
[0028]本实施例中，第一螺旋分支3由三段导线组成，分别为第一螺旋分支第一段3a、第一螺旋分支第二段3b、第一螺旋分支第三段3c，第一螺旋分支第一段3a为有一定升角的圆弧形导线，第一螺旋分支第二段3b为平滑过渡段，第一螺旋分支第三段3c为少匝数、小螺距的螺旋线。第二螺旋分支4由三段导线组成，分别为第二螺旋分支第一段4a、第二螺旋分支第二段4b、第二螺旋分支第三段4c，第二螺旋分支第一段4a为有一定升角的圆弧形导线，第二螺旋分支第二段4b为平滑过渡段，第二螺旋分支第三段4c为少匝数、小螺距的螺旋线;本实施例的竖直延长段顶部2b处、第一螺旋分支3的末端、第二螺旋分支4的末端为球缺结构。
[0029]本实施例中，背腔侧壁7的内表面7a为圆筒形，背腔侧壁7的外表面、背腔底板6的外表面在轴向的投影为正方形。
[0030]本实施例中，第二螺旋分支第三段4c的螺旋半径比第一螺旋分支第三段3c的螺旋半径略小。
[0031]图3、图4为本实施例用于一高功率径向线螺旋阵列天线中的阵面示意图和单个螺旋天线的连接结构示意图。图中示出，该阵列天线由28个本实施例的螺旋天线组成，这28个螺旋天线按照4X8的矩形栅格形式排列，中间4个单元由于输入口尺寸的限制被去掉。对于每一个螺旋天线，其同轴内导体I均与阵列天线馈线系统8中的耦合探针9相连;背腔侧壁7的外表面、背腔底板6的外表面在轴向的投影为正方形，且边长等于单个螺旋天线(单元天线)之间的间距;这样所有螺旋天线的背腔侧壁和背腔底板连在一起形成一个整体，称为阵列天线馈电系统的顶板10。
[0032]当微波工作频率为12.5GHz时，本实施例的具体尺寸为:同轴内导体I直径2.5mm;竖直延长段直径2.5mm，高度5.5mm;第一螺旋分支3起始点距背腔底板6的距离1.7mm，第一螺旋分支第一段3a，第一螺旋分支第二段3b为平滑过渡段，第一螺旋分支第三段3c的匝数为0.74，螺旋半径为4.5mm;第二螺旋分支4起始点距背腔底板6的距离6mm，第二螺旋分支第一段4a，第二螺旋分支第二段4b为平滑过渡段，第二螺旋分支第三段4c的匝数为0.67，螺旋半径为3.5mm;第一螺旋分支3的起始点与第二螺旋分支4的起始点在初始方向上呈60°角度；同轴外导体5内直径6.6mm;背腔侧壁7的内表面7a直径14.9mm，高度7.4mm;背腔侧壁7的外表面、背腔底板6的外表面在轴向投影正方形的边长15.9mm;竖直延长段顶部2b处球缺2.7mm，第一螺旋分支3末端的半球直径2mm，第二螺旋分支4末端的半球直径2.1mm。
[0033]如图5所示，仿真结果表明:本实施例在上述28单元高功率径向线螺旋阵列天线中使用后，阵列天线的轴向增益、轴比、电场幅值最大值2372V/m(输入功率为0.5W)。这说明该螺旋天线用于阵列天线中可获得良好的轴向圆极化辐射;若将该阵列天线置于一个气压SF6气体中，取电场击穿阈值为7.5MV/m，则该阵列天线阵面部分的功率容量为10MW，每个螺旋天线的平均功率容量为0.36MW。
[0034]按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，包括同轴内导体、与同轴内导体的上端相接的竖直延长段，与竖直延长段的侧壁相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第一螺旋分支，与竖直延长段顶部相接且以竖直延长段轴线为中心螺旋的第二螺旋分支，设于同轴内导体外围的同轴外导体，与同轴外导体的顶部相接并设于同轴内导体外围的背腔底板，与背腔底板的顶部相接并设于竖直延长段外围的背腔侧壁。2.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述同轴内导体、竖直延长段、第一螺旋分支、第二螺旋分支、同轴外导体、背腔底板以及背腔侧壁的轴线重合。3.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述第一螺旋分支的起始点与第二螺旋分支的起始点在初始方向上存在夹角。4.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述第二螺旋分支的螺旋半径比第一螺旋分支的螺旋半径略小。5.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述第一螺旋分支和第二螺旋分支均包括一次成型的三段导线，其中，第一段均为具有升角的圆弧形导线，第二段均为平滑过渡段，第三段均为少匝数、小螺距的螺旋线。6.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述竖直延长段顶部、第一螺旋分支的末端、第二螺旋分支的末端为球缺结构。7.根据权利要求1所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述同轴外导体的内表面、背腔底板的内表面、背腔侧壁的内表面均为圆筒形。8.根据权利要求7所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述同轴外导体和背腔底板的内径相同均大于同轴内导体的外径且小于第一螺旋分支的外径，背腔侧壁的内径大于第一螺旋分支的外径。9.根据权利要求8所述的一种高功率容量带背腔的双分支螺旋天线，其特征在于，所述同轴内导体、竖直延长段、第一个螺旋分支、第二个螺旋分支、同轴外导体内壁、背腔底板上表面、背腔侧壁均由金属制成，或由介质材料表面镀金属膜制成。
【文档编号】H01Q21/06GK106025577SQ201610364052
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】刘庆想, 梁源, 李相强, 张健穹
【申请人】西南交通大学, 刘庆想, 梁源, 李相强, 张健穹