一种加载鳍形板结构的螺旋天线的制作方法

本发明属于螺旋天线领域，具体涉及一种加载鳍形板结构的螺旋天线。

背景技术：

螺旋天线结构简单，介质环绕型螺旋天线一般由软性介质板附着螺旋金属贴片卷形圆柱形构成，具有结构简单、效率高便于批量加工的优点，在微波频段具有极为重要的作用，被广泛应用于微波通信、雷达等领域。传统的螺旋天线有三种工作模式，分别是轴向模式，法向模式和圆锥模式，轴向模螺旋天线带宽比接近于2∶1，并且在一段宽频带内有非常平坦的阻抗曲线。当传输波从馈电点传入，电场随着传输波传输并旋转成一个圆，在天线末端产生的辐射场就是圆极化。轴向模螺旋天线拥有高增益和优良的圆极化特性，因此被广泛的应用于海事卫星通信中。

现有技术虽然实现了螺旋天线的设计，但是现有技术中对于螺旋天线的改进主要集中于对波束宽度的拓展，且为在较窄带宽内拓展波束宽度，在实际工程应用中起到的效果有限，不能满足当前对于天线的使用需求。

技术实现要素：

本文主要针对上述技术问题，提出了一种主要适用于微波波段、能够在较宽的频带范围内提高天线波束宽度的天线设计，具体为一种加载鳍形板结构的螺旋天线，其特征在于，包括支撑结构、介质基板、至少一个辐射体、鳍形板和底板，所述支撑结构机械固定于底板中心位置，所述辐射体设置在介质基板上，所述介质基板围绕在支撑结构外侧且被定型使得所述辐射体成为螺旋结构，所述鳍形板机械固定于底板上且围绕支撑结构呈圆周排列。

进一步的，所述圆周排列为正圆形排列。

进一步的，所述圆周排列为椭圆形排列。

进一步的，所述鳍形板的数量为多个，且多个鳍形板的结构相同。

进一步的，所述鳍形板的数量为3-18个。

进一步的，所述鳍形板的数量为12个。

进一步的，所述鳍形板与底板的连接方式为焊接或铆接。

进一步的，所述介质基板所使用的材料为绝缘材料。

进一步的，所述介质基板所使用的材料为聚酰亚胺软性材料，介电常数为3.4，厚度为0.05mm，展开为矩形的尺寸为30.88mm*12mm。

进一步的，所述辐射体为线状金属、带状金属、金属贴片中的一种或几种，所述辐射体的数量为4个。

本发明通过鳍形板结构的设置可以抑制随着频率的升高天线输入阻抗的升高，从而拓展螺旋天线的带宽，且可以根据实际的使用情况，调整鳍形件的结构、安装位置和具体数量，有效提高天线的工作频带宽度，且在较宽的频带范围内提高天线波束宽度，有效提升螺旋天线的使用性能。本发明具有的天线具有宽带宽、宽波束等优良的辐射特性、结构简单，加工方便等优点，可通过结构参数的缩放，适用于不同波段。

附图说明

图1是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线的三维结构图；

图2是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线的分层三维结构图；

图3是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线的主视图；

图4是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线的单个鳍形板结构示意图；

图5是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线仿真的反射系数和传输系数图；

图6是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线在中心频率的第一方向辐射方向图；

图7是本发明一种加载鳍形板结构的螺旋天线在中心频率的第二方向辐射方向图。

具体实施方式

螺旋线的圆周近似等于一个波长时，它的辐射在轴线的方向上拥有最大功率密度，这种辐射模式称为“轴向模式”此模式的辐射场是圆极化的，与轴线的绕向有关。螺旋天线当电流近似等幅传输时，终端阻抗可以近似为仅仅与频率相关的纯电阻，因此轴向模螺旋天线拥有高增益和优良的圆极化特性。鳍形板结构通过改善螺旋天线在一个周期内的场分布，起到定向引向作用，能够在较宽的频带范围内提高天线波束宽度。

下面结合附图对本专利进行详细说明。

实施例1

如图2和图3所示，本发明提出了一种加载鳍形板结构的螺旋天线，其结构具体包括支撑结构1、介质基板2、辐射体3、鳍形板4和底板5，所述支撑结构1机械固定于底板5中心位置，所述辐射体3设置在介质基板2上，所述介质基板2围绕在支撑结构1外侧且被定型使得所述辐射体成为螺旋结构，所述鳍形板4机械固定于底板5上且围绕支撑结构1呈圆周排列。

其中，支撑结构1、介质基板2和辐射体3共同组成螺旋天线主体。所述支撑结构1为使用泡沫制造的圆柱体或圆锥体，本实施例中为圆柱体。所述介质基板2所使用的材质为绝缘材质，可使用塑料、陶瓷等绝缘材质，优选可使用聚四氟乙烯或聚酰亚胺，示例性的，本实施例中所述介质基板2所使用的材料为聚酰亚胺软性材料，介电常数εγ为3.4，厚度为0.05mm，展开为矩形的尺寸为30.88mm*12mm，介质基板被弯折为圆柱形，由于其贴合安装于支撑结构1上，因此介质基板的具体弯折形状与支撑结构1相匹配。

辐射体3起到向外发射信号的作用，是天线主体结构中起核心作用的部件，其可使用线状金属、带状金属、金属贴片中的一种或几种，其数量可以是一个、两个、四个或八个，单个辐射体的长度为通信设备工作频率的四分之一波长的整数倍。本实施例中为单臂天线，即辐射体数量为一个，辐射体3使用金属贴片结构，即使用印刷电路板技术将带状金属印制在介质基板2上。由于介质基板被弯折成圆柱形，附着在其上的辐射体因此也被弯折，从而形成螺旋形状的金属贴片结构，与支撑结构1、基板2共同组成为螺旋天线。

如图1所示，本实施例中，螺旋天线主体尺寸为：天线主体截面直径(圆柱形支撑体1截面直径)φ2为4.92mm，天线主体高度(支撑结构1)高度h为12mm。底板5的尺寸：底板直径φ1为39mm，底板厚度为2mm。

天线采用轴向模式工作，其输入阻抗下维持在100欧姆到140欧姆之间，但是随着频率的升高天线的输入阻抗会变高，通过设置鳍形板4来抑制这种阻抗变化。鳍形板与辐射体之间无电连接，因此不是采用电匹配的方式来调节输入阻抗，而是通过近距离加载的方式影响天线的阻抗匹配情况，即能量的反射的方式来改善天线输入阻抗的匹配情况，展宽天线的带宽，且在较宽的频带范围内提高天线波束宽度。鳍形板可使用高阻抗的材料制作，或者使用高阻抗的材料喷涂结构表面，从而增强表面反射的效果，提高阻抗匹配效果。

从图4中可以看出，鳍形板a、t边组成的面为底面，鳍形板4的结构为垂直截面为梯形的板材，即与鳍形板与底面垂直的面，或者说a、b边所在的面为梯形，且本实施例中为直角梯形，直角梯形所在的平面为鳍形板的斜面。

梯形斜边与底边的角度可根据实际使用情况而具体调节，通过调节该角度来得到阻抗更好的匹配效果，从而达到有效展宽天线的频率带宽的技术效果。本实施例中，梯形斜边与底边的角度为55°角，鳍形板结构尺寸具体为：长度a为4mm，高度b为5.5mm，宽度t为2mm，斜边长度e可根据梯形斜边与底边的角度计算得到。

当鳍形板为多个时，多个鳍形板的结构可完全相同，也可以根据实际的使用情况而设计结构不同的过个鳍形板，例如调整鳍形板梯形斜边与底边的角度不同，或调整鳍形板的高度不同，使鳍形板能够匹配不同方向的天线阻抗，达到整体最好的带宽拓展和波束效果。

鳍形板4固定于底板5上，鳍形板4与底板5的连接方式为任一种可实现机械固定的方式，例如焊接、插接、铆接等。鳍形板的数量可根据使用需求具体选择，常规情况下，鳍形板数量为至少三个，一般使用3-18个，从而保证其能有效覆盖天线的圆周辐射范围。

鳍形板4围绕支撑结构1呈圆周排列，其具体的排列位置可根据实际情况选择，可以使用正圆形排列也可以使用椭圆排列，多个鳍形板的位置排列一般情况下呈均分分布或对称分布；即例如鳍形板使用2个，则2两个鳍形板镜像对称分布；若鳍形板使用3个，则3个鳍形板在圆周上的位置等分圆周，即彼此相差120°角。鳍形板的分布也可以采用非对称或非均分排列，例如鳍形板使用3个，但3个鳍形板在圆周上的位置不等分圆周，例如彼此相差角度分别为90°、120°、150°。

鳍形板4的斜面在外侧且背向支撑结构方向，一般情况下，鳍形板斜面中心线指向支撑结构的中心位置，即鳍形板的长度a的方向指向支撑结构的中心，从而保证斜面能够达到最好的反射效果，匹配效果更好，更有效的拓展天线带宽和波束宽度。

本实施例中，鳍形板数为12个，结构相同，呈正圆形均匀排列，即12个鳍形板在圆周上的位置等分圆周、彼此相差30°角，鳍形板斜面正对支撑结构1，鳍形板4采用铆接的形式与底板5机械连接。

使用ansys公司的商业全波电磁仿真软件hfss对本实施例中的一种加载鳍形板结构的螺旋天线进行仿真，所得天线仿真反射系数曲线和传输系数如图5所示，可以看出在阻抗带宽8-12ghz内，回波损耗s11均小于-10db。图6和图7分别为两个方向的辐射方向图，图6为phi＝0天线在中心频率的辐射方向图，图7为phi＝90天线在中心频率的辐射方向图，结合图6和图7可以看到天线的0db波束宽度可以达到±60°。可以看出：(1)本发明提出的加载鳍形板结构的螺旋天线与现有技术相比拓展了40％的带宽，在8ghz～12ghz内电压驻波比(vswr)小于2，回波损耗小于-10db，且0db波束宽度能够达到±60°。(2)本发明提出的加载鳍形板结构的螺旋天线高度较低，且在较宽的频率范围内，波束宽度与普通天线相比展宽了50％，效果明显。可见，本专利提出的一种加载鳍形板结构的螺旋天线能够有效展宽天线带宽，且在较宽的频带范围内提高天线波束宽度的天线结构设计，且天线结构简单、制造成本低、方便批量化生产，对于宽带天线的产业化发展起到十分重要的作用。

以上所述的仅是本专利的具体实施方式，对本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，在此应当指出，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。