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一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置

阅读：311发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及天线传感器装置技术领域，具体的说是一种结构合理、成本低廉、易于实现阵列布局的电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，其特征在于最上层介质基板上设置单臂平面印刷螺旋辐射器，第二层介质基板的下侧为地板，第三层介质基板设置电磁耦合馈电机构，第四层介质基板设置微带线转带状线电磁耦合馈电机构，其中所述单臂平面印刷螺旋辐射器由圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带线互连，第三层介质基板上设置的电磁耦合馈电机构采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上，本发明中的宽带圆极化天线系统可应用于星载、机载和弹载等平台的导航、通信、电子侦察和微波遥感等系统中，重要较为重要的应用价值。，下面是一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，设有四层介质基板，其特征在于最上层介质基板上设置单臂平面印刷螺旋辐射器，第二层介质基板的下侧为地板，第三层介质基板设置电磁耦合馈电机构，第四层介质基板设置微带线转带状线电磁耦合馈电机构，其中所述单臂平面印刷螺旋辐射器由圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带线互连，第三层介质基板上设置的电磁耦合馈电机构采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上。
2.根据权利要求1所述的一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，其特征在于所述地板上蚀刻矩形谐振腔，用于完成调谐和调配的功能；并引入阻抗变换段，用于获得需要的阻抗值。
3.根据权利要求1所述的一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，其特征在于所述第三层介质基板上的矩形缝隙组成的电磁馈电结构相当于一个变压器，用二端口网络等效。
4.根据权利要求1所述的一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，其特征在于所采用的微带线-带状线电磁耦合结构中，阻抗变换段被引入地板上的矩形谐振腔，阻抗变换段的另一端为带状线传输段，带状线传输段的另一端为微带线到带状线的转换器，其中微带线到带状线的转换器采用直线渐变过渡段实现。

说明书全文

一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置

技术领域:

[0001] 本发明涉及天线传感器装置技术领域，具体的说是一种结构合理、成本低廉、易于实现阵列布局的电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置。背景技术：

[0002] 为了能够建立良好的星地通信链路，大多数卫星通信和导航定位系统都采用圆极化形式。传统的圆极化天线带宽都比较窄，这就无法使这些导航定位系统协同工作从而提高定位精度和为用户提供更多的服务，所以研究和设计宽带圆极化天线成为了一个挑战。当圆极化波到达均匀物体时会反射极化反向的圆极化波。此外，圆极化天线可以接收任意极化来波的同时，它的散射波也可以被任意极化天线所接收，因此，为了发射和接收天线可以灵活定向且避免严重的极化失配，圆极化天线在雷达、无线通信和导航等领域引起了广泛关注。圆极化天线的应用越来越广泛，其主要的特点体现在以下几个方面：(1)圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到；(2)圆极化天线具有旋向正交性；(3)极化波入射到对称目标时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。

[0003] 印刷天线由于低剖面、结构简单、易于加工的优点受到关注，圆极化印刷微带天线成为大量学者的研究方向。在近几年的圆极化天线研究中，双馈圆极化天线比单馈圆极化天线具有更宽的阻抗带宽和轴比带宽，但为了达到双馈点的相位差，往往需要杂的馈电网络。如何利用单点馈电达到宽带圆极化，成为了圆极化天线的新课题。国内外学者在这方面做了大量研究，设计了多种天线形式，如介质谐振天线、可重构贴片天线、单极天线以及印刷缝隙天线。圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，轴比不大于3dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。轴比决定天线的极化效率，同时表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出。因此如何表现出好的轴比特性，是圆极化天线设计的难点。

[0004] 螺旋天线由John D.Kraus最早提出，利用导电性良好的金属线所制成的螺旋形导线，在其轴线开口方向辐射圆极化波，后被命名为轴向模螺旋天线。螺旋天线是一种行波天线，具有宽频带和圆极化特性，广泛用于米波和分米波波段，既可作为独立天线使用，也可构成螺旋天线阵，又可作为其他面天线的初级馈源。姜兴等研究了一种等弧距单臂半球柱面螺旋天线，其具有宽带、小尺寸、圆极化、低剖面等特点。该天线采用半球柱面螺旋天线结构，通过在馈电端引入等效L节匹配网络进行阻抗变换，扩展天线带宽，最终实现了天线的小型化、圆极化及超宽带。利用HFSS仿真软件对半球柱面螺旋天线结构参数进行优化，仿真及测试结果表明，该天线具有超过30％的阻抗带宽及超过20％的轴比带宽，最高增益能够达到9dB，具有良好的辐射特性。

[0005] 高增益天线可以有效提高系统的灵敏度，降低对系统中其他部件的性能要求和复杂度。随着通信、雷达系统逐步向宽带、多功能、集成化方向发展，宽带、高增益、高效率以及共口径的天线越来越受到关注。微带天线具有体积小、重量轻、易共形、易于加工以及易与有源器件及电路集成等优点，已经在通信、导航、引信等方面获得了广泛应用，但是其固有的频带窄，功率容量低，限制了在诸多方面的应用。

[0006] 随着无线电设备和无线通信技术的飞速发展，电磁波频谱监测设备对天线的体积和宽带性提出了更高的要求。平面螺旋天线具有多方面的宽频带特性,无论是方向特性、阻抗特性还是极化特性都是宽带的，并且具有体积小、重量轻、结构稳定、圆极化特性好等优点，因而引起了高度重视并得到了广泛的应用。然而平衡馈电的平面螺旋天线，如传统的阿基米德天线、平面正弦天线等，馈电需要进行平衡-非平衡转换，即需要另外配置巴伦装置，这不仅增大了天线的体积,而且在一定程度上也影响天线的性能。发明内容：

[0007] 本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、成本低廉、易于实现阵列布局的电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置。

[0008] 本发明通过以下措施达到：

[0009] 一种电磁耦合馈电圆极化单臂平面螺旋天线装置，设有四层介质基板，其特征在于最上层介质基板上设置单臂平面印刷螺旋辐射器，第二层介质基板的下侧为地板，第三层介质基板设置电磁耦合馈电机构，第四层介质基板设置微带线转带状线电磁耦合馈电机构，其中所述单臂平面印刷螺旋辐射器由圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带线互连，第三层介质基板上设置的电磁耦合馈电机构采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上。

[0010] 本发明所述地板上蚀刻矩形谐振腔，用于完成调谐和调配的功能；并引入阻抗变换段，用于获得需要的阻抗值。

[0011] 本发明所述第三层介质基板上的矩形缝隙组成的电磁馈电结构相当于一个变压器，用二端口网络等效。

[0012] 本发明所采用的微带线-带状线电磁耦合结构中，阻抗变换段被引入地板上的矩形谐振腔，阻抗变换段的另一端为带状线传输段，带状线传输段的另一端为微带线到带状线的转换器，其中微带线到带状线的转换器采用直线渐变过渡段实现。

[0013] 本发明提出的天线装置采用单臂平面印刷螺旋辐射器，为典型的非平衡结构，无需复杂的巴伦结构，设计简单，成本低，易于实现；其中单臂平面印刷螺旋辐射器采用圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带传输线互联在一起，实现良好的阻抗匹配；为了减少地板的影响，整个天线的输入端的馈电网络位于地板的下方，采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上；地板下方的馈电线为带状线，带状线为封闭性的传输线，电磁兼容性好，无色散，整个天线系统与设备中的其他电子元器件是隔离的，同时，采用带状线馈电易于实现阵列设计。这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层，消除了相互之间的影响，并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。同其他馈电结构相比，具有耦合强度大和宽带等优点，机械强度高。

[0014] 本发明中的宽带圆极化天线系统可应用于星载、机载和弹载等平台的导航、通信、电子侦察和微波遥感等系统中，重要较为重要的应用价值。在天线的加工中，本项目主要采用印刷电路技术，可以保证加工精度，一致性好，适合于工程实践。附图说明：

[0015] 附图1是本发明的结构示意图。

[0016] 附图2是本发明中单臂平面印刷螺旋辐射器的示意图。

[0017] 附图3是本发明中电磁耦合馈电结构模型图。

[0018] 附图4是本发明中微带线-带状线的电磁耦合结构模型图。

[0019] 附图5是电磁耦合结构中传输线转换匹配结构模型。

[0020] 附图6是本发明实施例中天线端口的电路特特性仿真结果，其中图6(a)是端口回波损耗仿真结果；图6(b)是端口电压驻波比仿真结果。

[0021] 附图7是本发明实施例中中心频率处天线辐射特性仿真结果，其中图7(a)是三维增益方向图；图7(b)是三维轴比方向图；图7(c)是xoz面的增益方向图；图7(d)是xoz面的轴比方向图；图7(e)是yoz面的增益方向图；图7(f)是yoz面的轴比方向图。

[0022] 附图8是本发明实施例中天线在频率f1处的天线辐射特性仿真结果，其中图8(a)是三维增益方向图，8(b)是三维轴比方向图，8(c)是xoz面的增益方向图，8(d)是xoz面的轴比方向图，8(e)是yoz面的增益方向图，8(f)是yoz面的轴比方向图。

[0023] 附图9是本发明实施例中天线在频率f2处的天线辐射特性仿真结果，其中9(a)是三维增益方向图；9(b)是三维轴比方向图；9(c)是xoz面的增益方向图；9(d)是xoz面的轴比方向图；9(e)是yoz面的增益方向图；9(f)是yoz面的轴比方向图。

[0024] 附图标记：微带线1、电磁耦合缝隙2、微带线到带状线的转换器3、带状线传输段4、调谐调配谐振腔5、阻抗变换段6、第一层介质基板7、第二层介质基板8、第三层介质基板9、第四层介质基板10。具体实施方式：

[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0026] 本发明基于雷达和通信系统中对宽频带、圆极化和良好电磁兼容性能的技术需求，提出了一种基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线的技术方案和装置。该圆极化天线系统由单臂印刷平面螺旋和耦合馈电结构组成；引入缝隙微带线-带状线-缝隙转换的电磁耦合结构，实现天线辐射器和馈电线之间的良好隔离，同时对单臂螺旋进行非平衡激励，实现宽带圆极化辐射方向图，整个天线系统是具有结构简单、成本低廉和易于实现阵列布局的优点。

[0027] 本发明提出的天线装置采用单臂平面印刷螺旋辐射器，为典型的非平衡结构，无需复杂的巴伦结构，设计简单，成本低，易于实现；单臂平面印刷螺旋辐射器采用圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带传输线互联在一起，实现良好的阻抗匹配；为了减少地板的影响，整个天线的输入端的馈电网络位于地板的下方，采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上；地板下方的馈电线为带状线，带状线为封闭性的传输线，电磁兼容性好，无色散，整个天线系统与设备中的其他电子元器件是隔离的，同时，采用带状线馈电易于实现阵列设计。这种天线通过接地板隔离了辐射层和馈电层，消除了相互之间的影响，并克服了传统馈电方式带来的电感效应和馈电网络的寄生辐射等缺点。同其他馈电结构相比，具有耦合强度大和宽带等优点，机械强度高。

[0028] 图1为基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线整体模型，图2为单臂平面螺旋辐射器视图，图3为电磁耦合馈电结构模型，图4为微带线-带状线-电磁耦合结构模型，图5为电磁耦合结构中的传输线转换匹配结构模型。在本发明中，电磁耦合馈电结构由矩形缝隙组成，它相当于一个变压器，用二端口网络等效；它完成带状线到微带线之间的转换，为了获得良好的阻抗匹配性能，在地板上蚀刻出一个矩形谐振腔，完成调谐和调配的功能；引入一个阻抗变换段，获得需要的阻抗值，有利于和天线阻抗匹配；在整个天线的输入端，采用微带线馈电，便于和同轴线连接，设计了一个直线渐变的过渡段，实现从微带线到带状线的转换。

[0029] 实施例：

[0030] 本发明设计了一个具体的基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线结构装置，该天线的工作频率范围为18.5GHz～19.5GHz，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真和优化设计，仿真实验结果验证了本发明所提出的基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线装置的可行性和有效性。

[0031] 本发明设计的基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线的端口回波损耗和电压驻波比特性如图6所示。由图可见，该天线在工作频率范围内的电压驻波比小于2，中心频点上的电压驻波比小于1.5，匹配性能良好。

[0032] 为了表征该天线的辐射特性，图7给出了设计的天线在中心频率时的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果。由仿真结果可以看出，该天线表现出良好的方向图性能，主辐射方向上的增益大于7dB，轴比小于1.5dB，具有良好的圆极化性能，本发明设计的天线极化特性较为理想，仿真结果表明了预期的设计效果。

[0033] 图8和图9分别给出了设计的天线在频率为f1处和f2处的辐射方向图仿真结果。在两个边缘工作频点上，设计的宽带天线的增益分别约为6.36dB和6.17dB。

[0034] 综上所述，本发明基于雷达和通信系统中对宽频带、圆极化和良好电磁兼容性能的技术需求，提出了一种基于电磁耦合馈电的圆极化单臂平面螺旋天线的技术方案和装置。该圆极化天线系统由单臂印刷平面螺旋和耦合馈电结构组成；引入缝隙微带线-带状线-缝隙转换的电磁耦合结构，实现天线辐射器和馈电线之间的良好隔离，同时对单臂螺旋进行非平衡激励，实现宽带圆极化辐射方向图，整个天线系统是具有结构简单、成本低廉和易于实现阵列布局的优点。本发明中的宽带圆极化天线系统可应用于星载、机载和弹载等平台的导航、通信、电子侦察和微波遥感等系统中，重要较为重要的应用价值。在天线的加工中，本项目主要采用印刷电路技术，可以保证加工精度，一致性好，适合于工程实践。

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