本實用新型涉及高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，特別是高功率微波輻射領(lǐng)域，具體涉及一種新型高功率低輪廓螺旋天線。

背景技術(shù)：

近年來，高功率微波輻射技術(shù)發(fā)展迅速，由于陣列天線易于實現(xiàn)天線的高增益、高效率、高功率和圓極化輻射等而受到廣泛重視。高功率徑向線陣列是一種適用于高功率應(yīng)用的新型輻射天線，現(xiàn)已有高功率圓陣[李相強；趙柳；陳曉波.GW級高功率徑向線螺旋陣列天線,西南交通大學(xué)學(xué)報，2009]、矩形柵格高功率矩形陣[馬睿，劉慶想，李相強.64單元矩形徑向線陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,強激光與粒子束，2011]和三角形柵格高功率矩形陣[馬睿，劉慶想，李相強.64單元矩形徑向線陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,強激光與粒子束，2013]等多種陣列布局結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)陣列天線的圓極化，高功率徑向線陣列天線均采用螺旋天線作為單元天線。

螺旋天線應(yīng)用廣泛，其形式有很多種。最早由美國科學(xué)家John D Kraus在實驗中發(fā)現(xiàn)其可在軸向輻射圓極化波，之后學(xué)者們根據(jù)實際應(yīng)用需求的不同，提出了多種不同類型和結(jié)構(gòu)的螺旋天線，例如根據(jù)螺旋天線繞成的形狀不同，可將螺旋天線分為圓柱形螺旋天線、圓錐形螺旋天線、平面螺旋天線等。圓柱形螺旋天線[John D Kraus.50-OHM INPUT IMPEDANCE FOR HELICAL BEAM ANTENNAS.IEEE Transactions on Antennas and Propagation.1977]是將金屬導(dǎo)線繞制成一定尺寸的圓柱形螺旋線,其一端處于自由狀態(tài),另一端用同軸線內(nèi)導(dǎo)體饋電,饋電端的金屬接地板與同軸線的外導(dǎo)體相連。軸向輻射狀態(tài)的圓柱螺旋天線具有以下的特點:沿天線軸線方向有最強的輻射、輻射場是圓極化場、沿螺旋導(dǎo)線傳播的電流波是行波、輸入阻抗近似地等于純電阻、頻帶較寬。圓錐螺旋天線[胡慧琳；譚云華；朱柏承；圓錐對數(shù)螺旋天線輻射特性的理論分析,電波科學(xué)學(xué)報，2011]較圓柱螺旋天線具有更寬的頻帶，并更能滿足波瓣寬度的要求，且具有螺旋天線寬波束圓極化，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增益較高等特點，在各種參數(shù)的改變下，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信中。平面螺旋天線[李卉.一種新型平面阿基米德螺旋天線的分析與設(shè)計.雷達(dá)與對抗，2006]已經(jīng)發(fā)展了幾十年，相對于國內(nèi)的技術(shù)水平，國外發(fā)展的比較成熟。人們較為熟悉的阿基米德平面螺旋天線是一種寬頻帶天線，因其結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕而得以廣泛應(yīng)用[溫斌.低輪廓、圓極化阿基米德螺旋天線的研究.碩士論文，2014]。如今這種天線在探地雷達(dá)中得到較好的探測效果。

上述軸向模螺旋天線要求匝數(shù)在3圈以上、螺旋升角約12°～14°，這樣的限制導(dǎo)致天線的軸向尺寸較長。日本學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)了少匝數(shù)和小螺旋升角相結(jié)合的短螺旋天線[H.Nakano,H.Takeda,T.Honma,et al.Extremely Low-profile Helix Radiating a Circularly Polarized Wave.IEEE Trans.On Antennas and Propagation,1991]同樣可以輻射良好的圓極化波，他們采用的方法是在螺旋線電流分布的第一個最小值點處將螺旋截斷，它具有波瓣寬度寬、軸比良好、增益較高等優(yōu)點，加上其軸向尺寸短的特點，已經(jīng)被應(yīng)用到陣列天線中[Nakano H,Takeda H,Kitamura Y,et al.Low-profile helical array antenna fed from a radial waveguide[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,1992]。采用短螺旋天線可以輻射圓極化波,短螺旋天線由于圈數(shù)少,相對與長螺旋而言軸向尺寸短,將其用作陣列天線的單元天線,有助于減小陣列天線的軸向尺寸，因此高功率徑向線陣列天線多采用短螺旋天線作為單元天線[張健穹.高功率高增益徑向線螺旋陣列天線研究,博士論文，2011]。這類陣列天線要實現(xiàn)高功率微波的輻射，應(yīng)具有較高的功率容量水平，而目前限制其功率容量的關(guān)鍵在于單元天線。為了提高短螺旋天線的功率容量水平，李相強等針對C波段應(yīng)用提出了一種改進方案[李相強，劉慶想，趙柳.短螺旋天線改進設(shè)計.微波學(xué)報,2009]，改進后的短螺旋天線軸向方向性系數(shù)為8.75dB，軸向軸比為1.22dB，螺旋圈數(shù)為1.5圈。之后，張英靜等進一步研究了減小短螺旋單元天線間互耦的方法，研究了一種短螺旋-圓錐喇叭天線[張英靜、劉慶想、張健穹等.短螺旋-圓錐喇叭天線設(shè)計與分析.強激光與粒子束，2011]，其適用于陣列的單元間距大于0.9個波長的情況。

上述研究表明，螺旋天線在不同應(yīng)用背景和應(yīng)用需求的牽引下，發(fā)展出了許多類型和形式，并得到了應(yīng)用。而針對高功率微波應(yīng)用的短螺旋天線的研究才剛剛起步，其功率容量水平距離實際需求還有相當(dāng)距離，其軸向長度對實現(xiàn)系統(tǒng)的低輪廓具有重要影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的主要目的在于提供一種高功率低輪廓螺旋天線，提高螺旋天線功率容量減小螺旋天線軸向長度。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型具體實施方式的一個方面，提供了一種高功率低輪廓螺旋天線，包括同軸波導(dǎo)，反射背腔，螺旋體和匹配球體，所述同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體頂端與匹配球體連接，所述匹配球體與螺旋體連接，所述螺旋體上升方向指向內(nèi)導(dǎo)體延長線方向，所述同軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體與反射背腔連接，所述反射背腔置于同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體的頂端，所述反射背腔直徑＞同軸波導(dǎo)外徑，所述螺旋體至少部分置于反射背腔內(nèi)。

進一步的，所述同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體和螺旋體分別連接在匹配球體兩條正交的直徑上，且同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體軸線與匹配球體直徑重合。

進一步的，所述螺旋體由兩段線徑相等，旋向相同，旋轉(zhuǎn)半徑不同的螺旋線連接構(gòu)成。

更進一步的，所述螺旋線直徑與同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體直徑相等，所述匹配球體直徑≥所述螺旋線直徑

更進一步的，所述螺旋線匝數(shù)為0.8，螺旋升角為4.5°。

進一步的，所述螺旋體和/或匹配球體為空芯結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型具體實施方式的另一個方面，提供了一種高功率低輪廓螺旋天線陣列，由N個上述螺旋天線排列成陣列構(gòu)成，N≥2。

進一步的，所述陣列為矩形陣列。

進一步的，所述陣列由i行j列構(gòu)成，同一列上的螺旋天線分別位于相間各行，i×j＝N。

進一步的，所述陣列為環(huán)形陣列。

本實用新型的有益效果是進一步提高了天線的功率容量，降低了天線的軸向長度，實現(xiàn)了低輪廓。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步的說明。本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的具體實施方式、示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本實用新型實施例的示意圖；

圖2為實施例的俯視圖；

圖3為反射背腔外部輪廓為正方形的天線立體圖；

圖4為實施例螺旋天線的電磁場分布仿真結(jié)果示意圖；

圖5為實施例螺旋天線的反射曲線示意圖；

圖6為實施例螺旋天線的二維方向圖；

圖7為螺旋天線組成的陣列示意圖；

圖8為交錯排列的螺旋天線組成的陣列示意圖；

圖9為螺旋天線組成的環(huán)形陣列示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的具體實施方式、實施例以及其中的特征可以相互組合。現(xiàn)將參考附圖并結(jié)合以下內(nèi)容詳細(xì)說明本實用新型。

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本實用新型方案，下面將結(jié)合本實用新型具體實施方式、實施例中的附圖，對本實用新型具體實施方式、實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一分部的實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械木唧w實施方式、實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施方式、實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實用新型保護的范圍。

實施例

參見圖1、圖2、和圖3，本例高功率低輪廓螺旋天線包括同軸波導(dǎo)1，反射背腔2，螺旋體3和匹配球體4。同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10和螺旋體3分別連接在匹配球體4兩條正交的直徑上，且同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10軸線OP與匹配球體4直徑重合，如圖1所示。匹配球體4置于同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10的頂端，螺旋體3上升方向指向內(nèi)導(dǎo)體10延長線方向，即圖1中OP方向。同軸波導(dǎo)1的外導(dǎo)體11與反射背腔2連接，反射背腔2為圓柱形并置于同軸波導(dǎo)1外導(dǎo)體11的頂端，反射背腔2直徑＞同軸波導(dǎo)1外徑，反射背腔2的高度h，即反射背腔2的深度。反射背腔2的直徑和高度應(yīng)能夠容得下螺旋體3，或者使得螺旋體3至少部分置于反射背腔2內(nèi)。

本例這種結(jié)構(gòu)的螺旋天線，通過對同軸波導(dǎo)1，反射背腔2和螺旋體3結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，可以實現(xiàn)對輸入功率的良好匹配，降低單元間相互耦合，提高天線功率容量。由于微波傳輸?shù)膹?fù)雜性，特別是在結(jié)構(gòu)突變的地方，如同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10和螺旋體3連接處等，本實用新型采用匹配球體4進行過渡連接的方式，有利于降低連接處的微波反射和單元間相互耦合。特別是同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10和螺旋體3分別連接在匹配球體4兩條正交的直徑上，并且同軸波導(dǎo)1的內(nèi)導(dǎo)體10軸線與匹配球體4直徑重合，進一步降低了低連接處的微波反射和單元間相互耦合，提高了天線功率容量和性能。

本例天線中，螺旋體3采用兩段線徑相等，旋向相同，旋轉(zhuǎn)半徑不同的螺旋線連接構(gòu)成，見圖1和圖2中的3a和3b。3a為與匹配球體相連的內(nèi)螺旋，3b為與內(nèi)螺旋連接的外螺旋，一般內(nèi)螺旋旋轉(zhuǎn)半徑小于外螺旋旋轉(zhuǎn)半徑。這里匹配球體4直徑≥螺旋線直徑，并且螺旋線直徑與同軸波導(dǎo)1內(nèi)導(dǎo)體10直徑相等。

當(dāng)本例天線工作頻率為2.856GHz時，天線主要參數(shù)如下：

同軸波導(dǎo)內(nèi)外導(dǎo)體直徑分別為30mm和7mm，圓柱形反射背腔的直徑和高度分別為56mm和10mm，螺旋線3a的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)角度分別為6.4mm和127°，末端升高2.1mm，螺旋線3b的旋轉(zhuǎn)半徑為17mm，旋轉(zhuǎn)角度為90°，末端升高8mm，整個螺旋體圈數(shù)為0.8圈，螺旋體線徑為7.5mm。本例天線采用低匝數(shù)(0.8圈螺旋)和小螺距(螺旋升角僅4.5°)的結(jié)構(gòu)，使得天線線徑可以進一步增加到0.07個波長，有利于大功率輸入模式的工作狀態(tài)，并且螺旋體部分雖然由兩段旋向相同，旋轉(zhuǎn)半徑不同的螺旋線連接構(gòu)成，但由于兩段螺旋線采用了相同的線徑和相同的螺旋升角，大大降低了結(jié)構(gòu)突變，實現(xiàn)了平緩過渡和低輪廓。

以圖3所示天線為例，圖4給出了電磁場仿真結(jié)果，在工作頻率下，表面最大電場強度為3510V/m，增益約為7dB，軸比為1.6dB。圖5給出的反射曲線表明，在2.7～3GHz頻帶范圍內(nèi)，本例天線反射系數(shù)小于0.1。由圖6所示的天線二維方向圖可以看出，本例天線在正負(fù)75°范圍內(nèi)具有較大的增益。

考慮到微波電流的趨膚效應(yīng)，本實用新型螺旋體3、匹配球體4在保證結(jié)構(gòu)強度的條件下，可以做成空芯結(jié)構(gòu)，以降低天線重量。

本實用新型的另一方面，提供了由上述螺旋天線排列成陣列構(gòu)成的天線陣列，通過將多個天線規(guī)則排列，可以組陣成為天線陣列并應(yīng)用于高功率微波場合，陣列中天線單元的數(shù)量可以根據(jù)實際需要，如覆蓋范圍、輻射功率等進行選擇。圖7示出了一種等間距規(guī)則排列的6×6矩形陣列，陣列中包含36個相同結(jié)構(gòu)的天線單元。圖8表示的是一種緊密排列的天線陣列，陣列由6行6列構(gòu)成，同一列上的螺旋天線分別位于相間各行。這種交錯排列的陣列可以在有限空間布置更多的天線單元，并且天線單元分布更加均勻，可以提高天線陣列輻射的功率密度和均勻性，更適合大功率微波發(fā)射領(lǐng)域。

圖9給出的天線陣列為環(huán)形陣列，也是一種緊密排列的均勻布局方式，同樣具有高功率密度的特點。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用圖8所示排列方式的陣列天線，組陣后的表面最大電場約為4600V/m，按照真空擊穿閾值計算，單元天線的設(shè)計功率容量約50MW。

上述結(jié)果表明，本實用新型的高功率低輪廓螺旋天線具有反射小、功率容量高、軸向尺寸短的特點，非常適合天線陣列組陣。