專利名稱：一種高低仰角增益圓極化螺旋天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圓極化螺旋天線，特別涉及一種高低仰角增益圓極化螺旋天線。
背景技術：
目前，全球定位導航系統(tǒng)的應用越來越廣泛，中國的北斗二代系統(tǒng)服務范圍也已基本覆蓋亞太地區(qū)并預計在未來十年內(nèi)覆蓋全球，而圓極化天線對該系統(tǒng)起到至關重要的作用。根據(jù)定位原理，接近地面的低仰角信號對定位精度的貢獻最大，而天頂信號雖易于接受但對定位精度的貢獻不大。隨著對定位精度要求的提高，一般要求天線具有較高的低仰角增益，尤其對于北斗系統(tǒng)，衛(wèi)星比較少，對低仰角增益提出了苛刻的要求，有時要求5°仰角增益大于-O. 5dB，然而目前的圓極化天線普遍存在低仰角增益不足的問題。
目前圓極化天線使用最多的是微帶天線和螺旋天線。微帶天線剖面低，制造簡單，成本低，然而方向圖和軸比性能相對于螺旋天線稍顯遜色，其波瓣寬度較窄，難以滿足實際使用中較高的指標要求。傳統(tǒng)螺旋天線具有良好的上半球面方向圖，波瓣寬度寬，但低仰角增益一般不夠高，難以達到比較高的指標要求。而且方向圖一般通過螺旋參數(shù)來調(diào)節(jié)，而這些參數(shù)又會同時影響天線其他性能，有時難以平衡兼顧，設計過程繁瑣費時。為了改善低仰角增益，最簡單的辦法是改變地板形狀和大小，但這種方法的效果是很有限的，而且會帶來體積和重量增大的缺點。另外，采用錐形螺旋天線可以增加波束寬度，提高低仰角增益，但是提高范圍也是很有限，并且存在體積大，結(jié)構復雜的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有較高的低仰角增益圓極化四臂螺旋天線。本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接；所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡用于將同軸饋電信號分解為四個幅度相等，相位依次正交的輸出信號，對圓柱形螺旋天線輻射體的螺旋臂進行饋電。所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個相互垂直的振子，兩個振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個振子的交叉點位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上；當振子作為天線引向器時，振子的長度小于半個波長；當振子作為天線反射器時，振子的長度大于半個波長。所述十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離小于半個波長。
所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個金屬螺旋臂，所述四個金屬螺旋臂沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個金屬螺旋臂的頂部相互短路連接，底部分別設有饋電點。當振子作為天線引向器時，振子的長度小于半個波長，且大于或等于O. 4個波長。當振子作為天線反射器時，振子的長度大于半個波長，且小于或等于O. 7個波長。所述金屬螺旋臂的長度為O. 25個波長的整數(shù)倍。本發(fā)明的工作原理如下四臂螺旋天線輻射體的圓極化電磁波在十字形交叉振子上形成感應電流，可以分解為沿兩個互相垂直的振子方向的電流，這兩個電流幅度相等相位正交。該感應電流同時也能輻射圓極化波，但在此，該交叉振子并不是作為獨立的天線單 元，而是作為一個寄生單元，改善四臂螺旋天線輻射的方向圖。當振子長度略小于半個波長時，輻射電磁波相位滯后于下方的螺旋天線，所以振子作為天線引向器，起到增加軸向增益，減小后瓣的作用，只要尺寸調(diào)節(jié)合適，也可以使低仰角增益提高。當振子長度略大于半個波長時，輻射電磁波相位超前于下方的螺旋天線，所以作為天線反射器，起到抑制軸向增益，增加低仰角處增益的作用。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有優(yōu)點和有益效果(I)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)十字形交叉振子寄生單元的振子長度，在保持圓極化天線良好的輻射性能的同時，提高低仰角5°處增益到OdB以上。(2)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)十字形交叉振子寄生單元的振子長度及振子到螺旋天線頂部的垂直距離，可以方便地控制天線輻射方向圖，實現(xiàn)所要達到的最佳效果。(3)本發(fā)明結(jié)構簡單，結(jié)構緊湊，重量輕，調(diào)試方便。(4)本發(fā)明采用寬帶功分饋電網(wǎng)絡，具有帶寬寬的特點，IOdB阻抗帶寬從2GHz到
2.8GHz，達到800MHz的帶寬。


圖I為本發(fā)明第一個實施例的結(jié)構示意圖。圖2為本發(fā)明的第一個實施例的上層微帶電路示意圖。圖3為本發(fā)明的第一個實施例的下層微帶電路示意圖。圖4為本發(fā)明的第一個實施例的右旋增益曲線圖。圖5為本發(fā)明的第一個實施例的回波損耗曲線圖。圖6為本發(fā)明的第二個實施例的右旋增益曲線圖。圖7為本發(fā)明的第三個實施例的右旋增益曲線圖。圖8為本發(fā)明的第四個實施例的右旋增益曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，本發(fā)明一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元23和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡8，所述十字形交叉振子寄生單元23位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，所述十字形交叉振子寄生單元23與圓柱形螺旋天線輻射體的距離為O. 25個波長，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡8位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接。所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個金屬螺旋臂Γ7，所述四個金屬螺旋臂Γ7沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個金屬螺旋臂Γ7的頂部通過圓環(huán)3相互短路連接，底部分別設有饋電點；金屬螺旋臂的長度為半個波長。這樣，兩個位置相對的螺旋臂可以看成一個天線，長度為一個波長，四個螺旋臂可以看成兩個空間正交放置的天線，又由于這兩個天線饋電相位正交，因此產(chǎn)生具有上半空間覆蓋方向圖的圓極化輻射。該輻射體結(jié)構中的螺旋臂可以用細銅絲或者其他導體材料制作，不需要支撐體，也可以采用介質(zhì)加載印刷金屬帶，則對于同一頻率相應的尺寸需減小。所述功分移相微帶饋電網(wǎng)絡8包括如圖2所示的上層微帶電路9和如圖3所示的下層微帶電路11。所述上層微帶電路9上設有上層威爾金森功分器12 ;下層微帶電路11 上設有下層威爾金森功分器22,上層威爾金森功分器12和下層威爾金森功分器22相同。上層微帶電路9的地板朝下，下層微帶電路11的地板朝上，兩塊地板都為圓形，大小一樣，中間的地板互相貼和，構成共同地板10。為了將同軸饋電信號饋到上層微帶電路9，在共同地板10中間開方形縫隙13，在介質(zhì)板上開小圓過孔，便于同軸線內(nèi)導體通過。同軸線內(nèi)導體穿過過孔連接到上層威爾金森功分器12輸入端的功分器饋電線14，外導體連接到下層威爾金森功分器22輸入端的饋電線24。這樣饋到每個功分器的信號幅度相等，相位相差180°。對于每個威爾金森功分器，輸入端處都有一段功分器饋線，輸入阻抗均為25歐姆，這樣上下兩端饋線的串聯(lián)電阻為50歐姆，便于與饋電端50歐姆的同軸線相匹配。對于上層微帶電路9，功分器饋線14后接上層威爾金森功分器12，輸出兩路等副信號，傳輸線17比傳輸線16長四分之一波長,貝U輸出端口 19的信號比輸出端口 18的信號滯后90° ,實現(xiàn)相位正交。傳輸線16和傳輸線17之間接有隔離電阻15。對于下層微帶電路11，功分器饋線24后接下層威爾金森功分器22，輸出兩路等副信號，傳輸線27比傳輸線26長四分之一波長，貝1J輸出端口 29的信號比輸出端口 28的信號滯后90° ,實現(xiàn)相位正交。傳輸線26和輸線27之間接有隔離電阻25。功分移相微帶饋電網(wǎng)絡通過兩個威爾金森功分器將源輸入信號分解為四個幅度相等，相位依次正交的輸出信號，對螺旋臂Γ7進行饋電，公共地板10同時作為天線的反射板。所述十字形交叉振子寄生單元23包括相互垂直的振子I和振子2，兩個振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個振子的交叉點位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上；本實施例中采用四個垂直于天線地板平面的絕緣柱子3(Γ33固定。十字形交叉振子寄生單元改變高低仰角增益的原理如下四臂螺旋天線輻射的圓極化電磁波在十字形交叉振子上形成感應電流，可以分解為沿兩個互相垂直的振子方向的電流，這兩個電流幅度相等相位正交。該感應電流同時也能福射圓極化波，但在此，該交叉振子并不是作為獨立的天線單元，而是作為一個寄生單元，改善四臂螺旋天線輻射的方向圖。當振子長度略小于半個波長時，輻射電磁波相位滯后于下方的螺旋天線，所以振子作為天線引向器，起到增加軸向增益，減小后瓣的作用，只要尺寸調(diào)節(jié)合適，也可以使低仰角增益提高。當振子長度略大于半個波長時，輻射電磁波相位超前于下方的螺旋天線，所以作為天線反射器，起到抑制軸向增益，增加低仰角處增益的作用。通過調(diào)節(jié)振子長度以及振子到螺旋天線頂部的垂直距離，可以方便地控制天線輻射方向圖，實現(xiàn)所要達到的最佳效果。該交叉振子形狀可作適當變化，只有長度滿足要求即可，如可稍微彎曲變形，也可達到同樣效果O本實施例的振子作為天線反射器，振子的長度為O. 58個波長，其右旋增益曲線如圖4。本實施例的回波損耗曲線如圖5所示。實施例2本實施例除十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離、振子的長度外，其余特征均與實施例I同。本實施例除十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離為O. 4個 波長。本實施例的振子作為天線引向器，長度為O. 42個波長，其右旋增益曲線如圖6所
/Jn ο實施例3本實施例的振子的長度外，其余特征均與實施例I同。本實施例的振子作為天線反射器，長度為O. 7個波長，其右旋增益曲線如圖7所
/Jn ο實施例4本實施例的振子的長度外，其余特征均與實施例2同。本實施例的振子作為天線引向器，長度為O. 48個波長，其右旋增益曲線如圖8所
/Jn ο上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，如螺旋臂的長度還可以取O. 25,0. 75或I個波長，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡， 所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線福射體的底部連接； 所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個相互垂直的振子，兩個振子所在的平面垂直于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線，兩個振子的交叉點位于圓柱形螺旋天線輻射體的軸線上； 當振子作為天線引向器時，振子的長度小于半個波長； 當振子作為天線反射器時，振子的長度大于半個波長。
2.根據(jù)權利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述十字形交叉振子寄生單元與圓柱形螺旋天線輻射體的距離小于半個波長。
3.根據(jù)權利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述圓柱形螺旋天線輻射體包括四個金屬螺旋臂，所述四個金屬螺旋臂沿圓柱體側(cè)面在空間正交放置，螺旋纏繞；四個金屬螺旋臂的頂部相互短路連接，底部分別設有饋電點。
4.根據(jù)權利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，當振子作為天線引向器時，振子的長度小于半個波長且大于或等于O. 4個波長。
5.根據(jù)權利要求I所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，當振子作為天線反射器時，振子的長度大于半個波長，且小于或等于O. 7個波長。
6.根據(jù)權利要求3所述的高低仰角增益圓極化螺旋天線，其特征在于，所述金屬螺旋臂的長度為O. 25個波長的整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高低仰角增益圓極化螺旋天線，包括圓柱形螺旋天線輻射體、十字形交叉振子寄生單元和功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡，所述功分移相寬帶微帶饋電網(wǎng)絡位于圓柱形螺旋天線輻射體的下方，并與圓柱形螺旋天線輻射體的底部連接；所述十字形交叉振子寄生單元位于圓柱形螺旋天線輻射體的上方，包括兩個相互垂直的振子，當振子作為天線引向器時，振子的長度小于半個波長；當振子作為天線反射器時，振子的長度大于半個波長。本天線具有工作頻帶寬，方向圖性能良好，低仰角增益高，同時具有結(jié)構緊湊，重量輕的優(yōu)點。
文檔編號H01Q13/08GK102780091SQ20121027041
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者林偉鑫, 潘澤坤, 褚慶昕 申請人:華南理工大學