基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置

本发明属于无线通信，具体涉及一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置。

背景技术：

1、天线对于无线电通信系统而言，是必不可少的关键元件，它能够完成导波形式的能量与空间电磁场能量之间的转换。随着现代无线通信技术的发展，很多通信和探测系统的集成化和小型化趋势对天线设计提出了越来越高的要求，比如宽频带、小尺寸、低剖面、单向辐射、性能稳定等，这些也成为了近年来学者们广泛研究的课题。

2、在现有的宽带天线中，平面螺旋天线由于在宽频带内具有良好的阻抗和辐射特性，因此成为宽带天线的主要形式之一。常见的平面螺旋天线有阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线和复合螺旋天线等。由于自身频率的相似性，这类天线能在很宽的频带范围内保持良好的圆极化性能，任何极化方向的线极化波都能被圆极化天线接收，尤其在侦察和扰乱敌方通讯时，就很适合采用圆极化天线。

3、自由空间中的平面螺旋天线能够在垂直于螺旋平面的两个方向上辐射圆极化波，因此在传统的螺旋天线的设计中，通常在平面螺旋天线的下方放置金属背腔以实现单向辐射，一般是在天线下方四分之一波长处。但这样的设计存在缺点，就是会导致天线工作频带较低时，整体天线的剖面难以降低，且从金属背腔反射的辐射波在某些频带内会产生严重的干扰，导致天线的性能不稳定，螺旋天线的宽频带特性也被严重限制。因此不少学者在背腔内填充吸波材料，利用吸波材料吸收螺旋天线的背向辐射，同时改善螺旋天线的低频性能，但这又会增加天线装置的整体重量，不利于现代天线小型化、轻便化的设计目标，且天线辐射的一半能量被吸收，天线的增益和效率也会降低。同时，采用传统的螺旋天线加金属背腔的设计，既需要印刷工艺，也需要机械件加工，加工也较为繁琐。

4、在现代无线通信技术领域中，超宽带通信技术由于具有传输速率高、系统容量大、分辨率高等优点，被广泛应用于超宽带通信系统、军用雷达、生物工程等领域。因此需要设计具有超宽带、低剖面、单向辐射、高增益等优点和圆极化特性且性能较为平稳、易于加工的平面螺旋天线，以满足更多现代无线通信系统的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，用于实现天线在超宽带内的圆极化和单向辐射性能，同时实现低剖面和高增益。

2、为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

3、基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于，包括双面螺旋天线结构、有耗开口谐振环结构、金属背腔、巴伦和若干支撑柱；

4、所述双面螺旋天线结构设有圆形介质基板，所述圆形介质基板的上下表面分别设有相同的两条阿基米德螺旋臂，并沿着每条阿基米德螺旋臂设有多个金属过孔，所述金属过孔用于连通处于不同层面的阿基米德螺旋臂；

5、所述有耗开口谐振环结构设有环形介质基板，其上表面设有一圈加载电阻的开口谐振环；

6、所述双面螺旋天线结构和有耗开口谐振环结构均设置在所述金属背腔中，且双面螺旋天线结构位于有耗开口谐振环结构的上方；

7、所述支撑柱用于支撑双面螺旋天线结构和有耗开口谐振环结构的介质基板，并控制所述双面螺旋天线结构、有耗开口谐振环结构和金属背腔的底面之间留有设定的间距；

8、所述金属背腔为设置在金属背板上的圆柱形凹槽，其中部设有接线的通孔；

9、所述巴伦垂直设置在金属背腔的中心，其顶端从有耗开口谐振环结构和双面螺旋天线结构的介质基板的中部穿过，使巴伦的微带线和地板从巴伦顶端与圆形介质基板上表面的两个阿基米德螺旋臂的起点分别连接，巴伦的底端设置在金属背腔的底部腔面上，通过所述接线的通孔与外部的天线接口连接。

10、在上述技术方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

11、进一步的，位于圆形介质基板同一层面的两条阿基米德螺旋臂呈180度设置，两条阿基米德螺旋臂之间通过电阻连接；所述双面螺旋天线结构设有两组电阻，由分别设置在两个阿基米德螺旋臂末端的多个电阻组成，所述的多个电阻沿阿基米德螺旋臂的螺旋方向依次布设。

12、进一步的，所述有耗开口谐振环结构的一圈开口谐振环按照顺时针或逆时针的顺序旋转布设在环形介质基板的表面。

13、进一步的，所述有耗开口谐振环结构设有两倍于开口谐振环数量的电阻，每个开口谐振环上加载两个电阻，所述的两个电阻对称的设置在开口谐振环开口的两侧。

14、进一步的，所述金属过孔的表面覆铜，所述双面螺旋天线结构上的阿基米德螺旋臂、有耗开口谐振环结构的开口谐振环以及巴伦的微带线和地板，均通过蚀刻覆盖在相应介质基板上的铜材料形成。

15、进一步的，所述巴伦为指数渐变巴伦，巴伦介质基板上设有渐变微带线和渐变地板，所述渐变微带线和渐变地板均具有指数渐变线。

16、进一步的，所述支撑柱为设有环形台阶面的阶梯柱，其上部柱体的直径小于下部柱体的直径；所述环形介质基板在对应每个支撑柱的位置设有安装孔，形介质基板通过所述安装孔套设在支撑柱的上部柱体处，被所述环形台阶面托住；支撑双面螺旋天线结构和有耗开口谐振环结构的介质基板之间通过垫片间隔，垫片套在支撑柱的上部柱体上。

17、作为优选，所述双面螺旋天线结构、有耗开口谐振环结构的和巴伦的介质基板均采用介电常数εr＝3.55，损耗角正切tanδ＝0.0027的rogers ro4003c板材制成。

18、有益效果：

19、1)本发明低剖面超宽带天线装置，通过在天线介质基板的上下双面设置螺旋天线，并加载金属过孔，形成垂直方向上相隔一段距离且互相连通的两层螺旋天线，能够有效降低螺旋天线的特征阻抗，实现低阻抗的超宽带平面螺旋天线，在此基础上，巴伦的高度就能够大大降低，为实现天线装置整体的低剖面提供了有利条件；

20、2)本发明低剖面超宽带天线装置通过有耗开口谐振环结构的加载设计，吸收螺旋天线外圈的低频辐射区的反射电流，能有效的拓展低频的阻抗带宽和轴比带宽，改善低频的轴比性能，避免了通过传统的填充吸波材料的方法增加天线装置重量、降低天线装置的增益和效率的缺点；

21、3)本发明低剖面超宽带天线装置中，有耗开口谐振环结构的一圈开口谐振环分布在双面螺旋布线结构外圈的下方，双面螺旋布线结构中心部分的下方是金属背腔，金属背腔能够反射螺旋天线中高频的背向辐射，实现天线的单向辐射，同时提高增益，因此天线装置整体既能改善螺旋天线低频带内的阻抗特性和轴比特性，也能保持中高频带内的高增益性能。

技术特征：

1.基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于，包括双面螺旋天线结构、有耗开口谐振环结构、金属背腔(8)、巴伦和若干支撑柱；

2.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

4.根据权利要求2或3所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种基于双面螺旋布线和有耗开口谐振环加载的低剖面超宽带天线装置，包括双面螺旋天线结构、有耗开口谐振环结构、金属背腔和巴伦，其中，双面螺旋天线结构的上下表面分别设有阿基米德螺旋臂，并设有连通不同层面螺旋臂的金属过孔；所述有耗开口谐振环结构设有环形介质基板，其上表面设有一圈加载电阻的开口谐振环；双面螺旋天线结构位于有耗开口谐振环结构的上方，二者均设置在所述金属背腔中；巴伦垂直设置在金属背腔的中心，顶端与圆形介质基板上表面的两个螺旋臂分别连接，底端设置在金属背腔的底面，通过通孔与外部的天线接口连接。本发明结构改进后的天线装置，具有超宽带、低剖面、高增益、单向辐射和良好的圆极化特性。

技术研发人员：施永荣,张婷婷,邢超峰,姜勋,周鹏
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17