一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线。
【背景技术】
[0002]卫星通信是目前被广泛应用的一种先进移动通信技术，它可以解决地面移动通信所不能覆盖区域的通信问题。卫星通信系统是利用卫星作为中继站向用户提供数据业务的通信系统，所利用的卫星既可以是对地静止轨道卫星，也可以是非对地静止轨道卫星，如低高度地球轨道卫星、中等高度地球轨道卫星和高椭圆轨道卫星等。卫星通信系统能扩大移动通信的业务覆盖范围，除提供常规的移动通信业务之外，还可以向空中、海面和复杂地理区域的各类移动用户提供通信服务。
[0003]卫星通信设备主要包括星上设备和地球终端设备，其中地球终端设备形式多样，应用场合众多，因此被广泛的研宄和推广。随着电子集成技术的发展，通信设备都向着集成化、小型化发展，以满足人们对高性能设备的需求；用于卫星通信的移动地球终端同样也应和着这样的发展趋势；在终端设备中，天线是尺寸最大的部分，尤其工作频率较低时，天线尺寸显得更为突出。但由于天线的尺寸与天线性能有很大关系，天线尺寸缩小将直接导致天线性能下降，因此天线尺寸始终是影响地球终端设备性能的主要因素。
[0004]地球终端设备所采用的天线为圆极化天线，圆极化天线可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应，可以提供很好收发性能；目前，地球终端常用的天线形式有平面微带天线和各种螺旋天线；微带天线结构简单，但由于微带天线为谐振式工作，带宽受到很大的限制；螺旋天线的频带宽、圆极化性能稳定，常用形式有平面螺旋、柱面螺旋、锥面螺旋；平面螺旋横向尺寸大，并且要配合宽带反射腔使用；柱面螺旋横向尺寸小，但高度大；角锥螺旋结合二者的优点，高度和横向尺寸都可以根据需要调整；但工作频率较低时，天线尺寸还是显得很大，而缩小天线尺寸会直接造成圆极化性能恶化、带宽减小。
[0005]传统的天线小型化方法，如加载高介电常数的介质、曲流等，都会使天线的带宽变窄，这是因为小尺寸天线输入阻抗变化剧烈、阻抗匹配困难。天线尺寸的减小带来的另一严峻问题是天线的辐射效率下降，小尺寸天线的电尺寸小，其辐射电阻将降低，并且有较大的电抗成分；在天线不存在损耗的条件下，尽管其辐射电阻较低，总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分，并通过阻抗变换将阻抗变换到适当的数值使其与发射机或接收机匹配，从而有效完成能量转换功能。但是，不仅天线本身存在热损耗，而且馈电电路也会引入损耗。当天线的辐射电阻很低时，这些损耗就会更加突出，从而明显降低天线的辐射效率。
[0006]针对上述问题，发明专利201410382212.0给出了一种宽带小型化圆锥螺旋天线的设计方法，但天线特殊的结构使得天线方向图具有较大的前后比，这是实际使用中的不利因素，会造成电磁兼容及电磁干扰等一系列问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，以满足高性能卫星通信中所要求的天线小型、宽带、高效率和高增益需求。
[0008]本发明是这样实现的，一种高效率宽带小型圆锥螺旋天线，该高效率宽带小型圆锥螺旋天线设置有四臂圆锥螺旋辐射器和平面馈电器。
[0009]四个阻抗调节片设置在所述四臂圆锥螺旋辐射器始端，所述阻抗调节片可以等效看作微带形终端开路的阻抗调节枝节，通过合理设置其长度和宽度可以引入适量的电感或电容，对所述四臂圆锥螺旋辐射器的输入阻抗的虚部进行调节，使其接近于零。这样，天线低频段的阻抗特性曲线会变得平坦，从而形成辐射行波特性，很大程度改善了天线与馈线的阻抗匹配，天线的相对阻抗带宽得到很大的展宽。
[0010]平面馈电器印刷在所述介质板的上表面，平面馈电器能产生90°自相移的平衡馈电结构，一方面该馈电结构是一种平衡馈电结构，经过其阻抗变换以及平衡馈电转换作用，极大地展宽了四臂螺旋天线的带宽，而且设计简单，易于制作和工程使用；另一方面该馈电结构能产生90°自相移，可以使天线得到良好的圆极化辐射特性。
[0011]进一步，该高效率宽带小型圆锥螺旋天线进一步包括:
[0012]四臂圆锥螺旋辐射器采用共形方式附着在介质支撑锥台的圆锥表面，四臂圆锥螺旋辐射器的上端为开路形式，四臂圆锥螺旋辐射器底端通过馈电连接片分别与平面馈电器的四个分支端口第一分支端口、第二分支端口、第三分支端口、第四分支端口相连；馈电连接片呈垂直放置的圆弧形条带形式，馈电连接片底端通过印刷在介质板上表面的焊片连接焊定，射频接头的内芯与所述平面馈电器的输入和路端口相连；射频接头的外皮与底板连接。高频电流经过平面馈电器的阻抗变换以及平衡馈电转换作用，可实现高频能量的高效传输。平面馈电器的四个分支端口输出的幅度相等相位依次滞后90°的高频电流经馈电连接片流入四臂螺旋辐射器并向空间辐射，从四壁螺旋辐射器上辐射出的高频电场在远场叠加，形成圆极化波。由于所述平面馈电器强制馈电的特点，能够提高圆极化天线的轴比性能；在简化其结构设计的情况下，成为宽带圆极化天线平面馈电器的最佳选择。
[0013]进一步，介质支撑锥台采用高强度的低介电常数低损耗材料加工而成，该材料在保证介质支撑锥台高强度的同时，能显著展宽天线带宽，增大了天线的圆极化增益，天线的车■射效率明显提尚。
[0014]进一步，所述四臂圆锥螺旋辐射器的四臂螺旋线采用阿基米德等宽线展开，由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂的螺旋线圈数为半圈，长度略大于四分之一个波长，螺旋线圈的宽度设置为0.1个波长，螺旋线的末端逐渐变细。所述四臂圆锥螺旋辐射器作为辐射圆极化波的主要部件，它的长度和宽度直接影响天线的带宽和圆极化波的性能。通过合理设置其长度和宽度，得到了较宽的带宽和较高的圆极化增益以及良好的圆极化轴比性能。螺旋线末端逐渐变细，在有限的空间下，极大地延长了螺旋臂的长度，从而有效减小了天线的尺寸。
[0015]本发明圆锥螺旋天线的电性能优异，相对阻抗带宽达到50%，表现出良好的宽带特性；在大部分工作频带内，右旋圆极化增益均大于4dBic，表现出高增益的优点；本发明天线在整个工作频带内具有较高的辐射效率，辐射效率均在97%左右。另外，本发明天线电尺寸为高0.16 λ、直径0.3 λ，明显缩小了天线尺寸。因而本发明同时实现了天线的小尺寸、宽频带、高增益和高效率。相比常规螺旋天线有较大优势。
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线结构示意图；
[0017]图中:1、四臂圆锥螺旋辐射器；2、介质支撑锥台；3、平面馈电器；301、输入和路端口 ；302、第一分支端口 ；303、第二分支端口 ；304、第三分支端口 ；305、第四分支端口 ；4、介质板；5、底板；6、馈电连接片；7、阻抗调节片；8、焊片；9、射频接头；
[0018]图2是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的结构装配示意图；
[0019]图3是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的平面馈电器示意图；
[0020]图4是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的电压驻波比曲线示意图；
[0021]图5是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在350MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；
[0022]图6是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在450MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；
[0023]图7是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在500MHz的右旋圆极化和左旋圆极化方向示意图；
[0024]图8是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线的在频带内的增益曲线示意图；
[0025]图9是本发明实施例提供的高效率宽带小型圆锥螺旋天线在频带内的辐射效率曲线示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]下面结合附图1-3及对本发明的结构作详细的描述。
[0028]请参考图1?图3，本发明一种宽带小型化圆锥螺旋天线，其包括四臂圆锥螺旋辐射器1，四臂圆锥螺旋辐射器I采用共形方式附着在介质支撑锥台2的圆锥表面，四臂圆锥螺旋辐射器I的四臂螺旋线采用阿基米德等宽线展开，螺旋线的圈数为半圈，长度略大于四分之一个波长，螺旋线的宽度设置为0.1个波长，螺旋线的末端逐渐变细；介质支撑锥台2采用高强度的低介电常数低损耗材料加工而成；四臂圆锥螺旋辐射器I的上端为开路形式，底端通过馈电连接片6分别与平面馈电器3的四个分支端口第一分支端口 302、第二分支端口 303、第三分支端口 304、第四分支端口 305相连；馈电连接片6呈垂直放置的圆弧形条带