一種液態(tài)金屬螺旋天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于，所述液體金屬螺旋天線包括：介質支撐體、螺旋輻射體、饋電匹配體、接地板和射頻同軸接頭；所述介質支撐體為設置在所述接地板上的圓錐臺結構；所述饋電匹配體貼附在所述介質支撐體外壁下部；所述射頻同軸接頭包括同軸設置的外導體和內導體；所述外導體連接所述接地板；所述內導體連接所述饋電匹配體；所述螺旋輻射體包括變升角螺旋管和容置于所述螺旋管內的液態(tài)金屬；所述螺旋管的起始端貼附在所述饋電匹配體上，并沿所述介質支撐體外壁螺旋環(huán)繞形成錐形；本發(fā)明使得所述螺旋天線更具備可重構性，同時本發(fā)明的帶寬要寬于相同結構和尺寸的固態(tài)金屬天線的帶寬。
【專利說明】—種液態(tài)金屬螺旋天線

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線，具體為一種液態(tài)金屬螺旋天線。

【背景技術】
[0002]天線是無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件，廣泛應用于無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、遙感等工程系統(tǒng)，現(xiàn)有技術中的天線通常是使用銅等固態(tài)金屬導體制成的，運輸和攜帶不便、軸比帶寬相對較窄、天線可重構性發(fā)展有限。近年來，隨著雷達和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星、艦船和飛機等載體上需要搭載的天線越來越多，同時，伴隨搭載天線密度的提高，天線之間的電磁耦合干擾變得嚴重，甚至會影響天線的正常工作，因此采用一個天線來實現(xiàn)多個天線的功能，即能夠動態(tài)改變天線物理結構或尺寸，具有重要的應用價值。螺旋天線在衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導航中均有廣泛的應用，其頻段分布在UHF、L、S、C、X和Ku等頻段上，螺旋天線分為法向和軸向兩種輻射模式，其中軸向模螺旋天線具有寬頻帶、高增益和低軸比的特點；另外，由于對天線體積越來越小的需求的影響，天線小型化是必然的趨勢。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制一種液態(tài)金屬螺旋天線。
[0004]本發(fā)明的技術手段如下:
[0005]一種液態(tài)金屬螺旋天線，所述液體金屬螺旋天線包括:介質支撐體、螺旋輻射體、饋電匹配體、接地板和射頻同軸接頭；所述介質支撐體為設置在所述接地板上的圓錐臺結構；所述饋電匹配體貼附在所述介質支撐體外壁下部；所述射頻同軸接頭包括同軸設置的外導體和內導體；所述外導體連接所述接地板；所述內導體連接所述饋電匹配體；所述螺旋輻射體包括變升角螺旋管和容置于所述螺旋管內的液態(tài)金屬；所述螺旋管的起始端貼附在所述饋電匹配體上，并沿所述介質支撐體外壁螺旋環(huán)繞形成錐形；
[0006]進一步地，所述螺旋天線由具備同種結構、且參數(shù)方程為 , (r — 、
X = Rt + ---χ I xcos(/)
Iv 2πΝ J
y = [^' + ^TxiJx sin⑴的螺旋天線在縱向方向上的某一位置截斷得到，
^ 「f (?! -α0)χΛ π
z=Rx tan an + -----χ- x t
\2ηΝ J 180」
該位置為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t等于預設值處；參數(shù)方程中R為螺旋天線的頂面半徑、V為螺旋天線的底面半徑、N為螺旋圈數(shù)、a ^為螺旋起始升角、a i為螺旋終止升角、t為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值，變化范圍為O < t < 2 π N ;
[0007]進一步地，所述螺旋管由聚二甲基硅氧烷材料制成；
[0008]進一步地，所述液態(tài)金屬為鎵銦合金；
[0009]進一步地，所述饋電匹配體為矩形結構；通過調整所述饋電匹配體的尺寸、以及所述饋電匹配體底端與所述接地板上表面之間的距離實現(xiàn)天線阻抗匹配；
[0010]進一步地，所述螺旋天線的底面直徑D與螺旋天線中心頻率所對應的波長λ的比值范圍為0.25?0.42。
[0011]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明提供的一種液態(tài)金屬螺旋天線，本發(fā)明所述螺旋輻射體包括變升角螺旋管和容置于所述螺旋管內的液態(tài)金屬，所述螺旋天線由螺旋管沿所述介質支撐體外壁螺旋環(huán)繞形成錐形，液態(tài)金屬的流動性、延展性屬性和螺旋管的彈性屬性使得所述螺旋天線更具備可重構性和運輸便捷性，同時本發(fā)明的帶寬要寬于相同結構和尺寸的固態(tài)金屬天線的帶寬，不僅具有傳統(tǒng)螺旋天線高增益寬頻帶的優(yōu)勢，還具有抑制旁瓣的特點，既能實現(xiàn)較為理想的圓極化性能，又能滿足對小體積天線的需求；另外，利用本發(fā)明所述饋電匹配體來調諧天線的輸入阻抗，調諧方式簡單可靠，且能夠獲得良好的阻抗匹配。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明所述螺旋天線的結構示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明所述螺旋天線軸向軸比和增益隨工作頻率的變化曲線圖；
[0014]圖3是本發(fā)明所述螺旋天線與相同結構尺寸的固態(tài)金屬(銅)天線的軸向軸比隨工作頻率變化曲線對比圖；
[0015]圖4是本發(fā)明所述螺旋天線反射系數(shù)隨工作頻率的變化曲線圖；
[0016]圖5是本發(fā)明所述螺旋天線的左旋和右旋圓極化仿真圖；
[0017]圖6是截斷前的螺旋天線結構示意圖。
[0018]圖中:1、介質支撐體，2、螺旋輻射體，3、饋電匹配體，4、接地板,5、射頻同軸接頭，21、螺旋管,22、液態(tài)金屬,51、外導體,52、內導體。

【具體實施方式】
[0019]如圖1所示的一種液態(tài)金屬螺旋天線，所述液體金屬螺旋天線包括:介質支撐體1、螺旋輻射體2、饋電匹配體3、接地板4和射頻同軸接頭5 ;所述介質支撐體I為設置在所述接地板4上的圓錐臺結構；所述饋電匹配體3貼附在所述介質支撐體I外壁下部；所述射頻同軸接頭5包括同軸設置的外導體51和內導體52 ;所述外導體51連接所述接地板4 ;所述內導體52連接所述饋電匹配體3 ;所述螺旋輻射體2包括變升角螺旋管21和容置于所述螺旋管21內的液態(tài)金屬22 ;所述螺旋管21的起始端貼附在所述饋電匹配體3上，并沿所述介質支撐體I外壁螺旋環(huán)繞形成錐形；進一步地，所述螺旋天線由具備同種結構、且參
(n, (R — R')) ,、
χ= R + --- χ / χ cos(/)
t 2πΝ J
數(shù)方程為 v = ^, + -^^xijxsin(0的螺旋天線在縱向方向上的某一位置
rw 「? (α] -?π)χΟ η
Z-R χ tan an + —----χ- χ ?
人 2πΝ J 180」
截斷得到，該位置為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t等于預設值處；上述參數(shù)方程中R為螺旋天線的頂面半徑、V為螺旋天線的底面半徑、N為螺旋圈數(shù)、a ^為螺旋起始升角、α !為螺旋終止升角、t為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值，變化范圍為O < t < 2 π N ;進一步地,所述螺旋管21由聚二甲基硅氧烷材料制成；進一步地，所述液態(tài)金屬22為鎵銦合金；進一步地，所述饋電匹配體3為矩形結構；通過調整所述饋電匹配體3的尺寸、以及所述饋電匹配體3底端與所述接地板4上表面之間的距離實現(xiàn)天線阻抗匹配；進一步地，所述螺旋天線的底面直徑D與螺旋天線中心頻率所對應的波長λ的比值范圍為0.25?0.42。
[0020]本發(fā)明所述接地板4在射頻同軸接頭5處設有通孔；所述內導體52底端穿過所述通孔；實際設計時，所述螺旋管21外徑可取值為6mm、內徑取值為4_、相對介電常數(shù)εΓ^2.67，且由彈性體材料如聚二甲基硅氧烷材料(PDM)制成，PDM是一種高彈體，伸展性強，利于天線的可重構性；所述液態(tài)金屬22采用鎵銦合金(EGaIn)，其熔點低、常溫下呈現(xiàn)液態(tài)、接觸空氣會形成氧化表層，進而不再流動、具有天線需要的所有電子特性、彈性大于銅等固態(tài)金屬、能夠很好地接收信號、反復彎折也不會導致材料疲勞、具有自我修復能力、以及具備實現(xiàn)可重構天線的特質；所述螺旋天線的底面直徑D與螺旋天線中心頻率所對應的波長λ的比值范圍為0.25?0.42之間，此時螺旋天線為軸向輻射模式，當比值超出這個范圍，天線將不再呈現(xiàn)圓極化特性，同時波瓣圖也會出現(xiàn)畸變；所述介質支撐體I可以采用發(fā)泡聚乙烯材料制成，實際設計時介質支撐體I底面半徑Rb可以為30mm，頂面半徑Ra可以為14mm，高度H'可以取值為90mm ;本發(fā)明所述螺旋天線由具備同種結構、且參數(shù)方程為
(n, [R-R') λ χ= R + ---χ / χ cos(/)
L 2πΝ J ? ?/? — 、.V [R,+ 2πΝ X/JX Sin(/)的螺旋天線在縱向方■向上的某一位置截斷得到’
( (<2ι -<2η)χΛ πz = Rx tan an H--x- x t

2nN J 180 J
該位置為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t等于預設值處，預設值可以取t = 4 π，可以通過調整螺旋起始升角Qtl、螺旋終止升角Ci1或螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t來改變具有上述參數(shù)方程的螺旋天線的圓極化輻射特性，進而改變本發(fā)明截斷后的天線的圓極化輻射特性。
[0021]下面針對海事衛(wèi)星通信應用為例進行說明:天線的工作頻段為1525?1660.5MHz、中心頻率為1600MHz，為滿足軸向輻射模式，選取截斷前的螺旋天線的底面半徑R'為33mm，同時選取截斷前的天線的螺旋圈數(shù)N為4，針對實際應用中對于天線體積小的需求，設定本發(fā)明所述螺旋天線(即截斷后的螺旋天線)的高度為76mm;在設定截斷后的螺旋天線高度為76mm，以及截斷前的螺旋天線的底面半徑R'為33mm的基礎上，經(jīng)過大量計算機的仿真分析，選取截斷前的螺旋天線的頂面半徑R為3mm、螺旋起始升角Citl為13°、以及螺旋終止升角^^為7°，則得到截斷前的螺旋天線，圖6示出了截斷前的螺旋天線結構示意圖，為了降低剖面，且不破壞螺旋線上的電流分布，在截斷前的螺旋天線的縱向方向上，選取螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t等于2 π X 2處進行截斷，即將截斷前的螺旋天線4圈中的下部分2圈作為本發(fā)明所述螺旋天線(截斷后的螺旋天線)，進而得出介質支撐體上半徑為14_，得到了良好的圓極化輻射性能，圖1示出了本發(fā)明所述螺旋天線的結構示意圖(即截斷后的螺旋天線的結構示意圖)，此時本發(fā)明所述螺旋天線的高度為76_，再利用饋電匹配體對螺旋天線的輸入阻抗進行匹配，可以通過調整所述饋電匹配體的尺寸、以及所述饋電匹配體底端與接地板上表面之間的距離來實現(xiàn)天線阻抗匹配，在天線的中心頻率1600MHz處，設定所述饋電匹配體的長度Lp為24.2_、寬度Wp為28_、所述饋電匹配體底端與接地板上表面之間的距離h為9mm，得到了較為理想的阻抗曲線，進而優(yōu)化了天線輸入阻抗匹配；圖2示出了本發(fā)明所述螺旋天線軸向軸比和增益隨工作頻率的變化曲線圖，如圖2所示，可以得到軸比小于3dB、帶寬為1.36?1.88GHz、同時在該頻帶內對應的天線增益近似高于8dB;圖3示出了本發(fā)明所述螺旋天線與相同結構尺寸的固態(tài)金屬(銅)天線的軸向軸比隨工作頻率變化曲線對比圖，如圖3所示，可以看出液態(tài)金屬(鎵銦合金)天線比固態(tài)金屬(銅)天線的帶寬寬約30MHz，液態(tài)金屬天線的圓極化性能更好；圖4示出了本發(fā)明所述螺旋天線反射系數(shù)隨工作頻率的變化曲線圖，如圖4所示，在整個海事衛(wèi)星通信工作頻帶內反射系數(shù)小于25dB，輸入阻抗取得較好的匹配；圖5示出了本發(fā)明所述螺旋天線的左旋和右旋圓極化仿真圖，如圖5所示，交叉極化隔離度超過20dB，半功率波瓣寬度達到45°，實際應用時截斷前的螺旋天線的螺旋圈數(shù)N并不局限于4，截斷后的本發(fā)明所述螺旋天線的螺旋圈數(shù)也不局限于2，截斷位置可根據(jù)實際的螺旋天線高度要求和對圓極化輻射特性的影響進行調整，通過這種截斷方式，有效降低了螺旋天線高度和體積，同時不破壞螺旋線上的電流分布，保持了良好的圓極化輻射特性。
[0022]本發(fā)明提供的一種液態(tài)金屬螺旋天線，本發(fā)明所述螺旋輻射體包括變升角螺旋管和容置于所述螺旋管內的液態(tài)金屬，所述螺旋天線由螺旋管沿所述介質支撐體外壁螺旋環(huán)繞形成錐形，液態(tài)金屬的流動性、延展性屬性和螺旋管的彈性屬性，使得所述螺旋天線更具備可重構性和運輸便捷性，同時本發(fā)明的帶寬要寬于相同結構和尺寸的固態(tài)金屬天線的帶寬，不僅具有傳統(tǒng)螺旋天線高增益寬頻帶的優(yōu)勢，還具有抑制旁瓣的特點，既能實現(xiàn)較為理想的圓極化性能，又能滿足對小體積天線的需求；另外，利用本發(fā)明所述饋電匹配體來調諧天線的輸入阻抗，調諧方式簡單可靠，且能夠獲得良好的阻抗匹配；本發(fā)明適合用于要求小型化、高增益、帶寬寬的天線場合，同時具備易攜帶、易保密、反偵察的特性，可以用作軍事偵察系統(tǒng)等領域。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于，所述液體金屬螺旋天線包括:介質支撐體、螺旋輻射體、饋電匹配體、接地板和射頻同軸接頭；所述介質支撐體為設置在所述接地板上的圓錐臺結構；所述饋電匹配體貼附在所述介質支撐體外壁下部；所述射頻同軸接頭包括同軸設置的外導體和內導體；所述外導體連接所述接地板；所述內導體連接所述饋電匹配體；所述螺旋輻射體包括變升角螺旋管和容置于所述螺旋管內的液態(tài)金屬；所述螺旋管的起始端貼附在所述饋電匹配體上，并沿所述介質支撐體外壁螺旋環(huán)繞形成錐形。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于所述螺旋天線由具備同
(n, [R- R')) ,、
X= R +---xt X cos(0
Iv 2πΝ J
r (/? — /?.) ^種結構、且參數(shù)方程為 J= R,+ 0 v xt xsin(0的螺旋天線在縱向方向上
、ZtuS J.「廠 (?1-?ο)χ/Λ π
z = Rx tan an H--x- x t

2πΝ J 180J的某一位置截斷得到，該位置為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值t等于預設值處；參數(shù)方程中R為螺旋天線的頂面半徑、Ri為螺旋天線的底面半徑、N為螺旋圈數(shù)、a ^為螺旋起始升角、a i為螺旋終止升角、t為螺旋管環(huán)繞過程中弧度變化值,變化范圍為O彡t彡2 π N。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于所述螺旋管由聚二甲基硅氧烷材料制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于所述液態(tài)金屬為鎵銦合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于所述饋電匹配體為矩形結構；通過調整所述饋電匹配體的尺寸、以及所述饋電匹配體底端與所述接地板上表面之間的距離實現(xiàn)天線阻抗匹配。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種液態(tài)金屬螺旋天線，其特征在于所述螺旋天線的底面直徑D與螺旋天線中心頻率所對應的波長λ的比值范圍為0.25?0.42。
【文檔編號】H01Q1/36GK104300205SQ201410419202
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】周蕓, 房少軍, 傅世強, 劉宏梅, 王鐘葆 申請人:大連海事大學