一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线的制作方法

本发明属于天线工程，尤其涉及航空航天飞行器的无线通信设备，具体涉及一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线。

背景技术：

1、圆极化天线可以接收或者辐射任意极化的电磁波，因此被广泛应用于定位、导航、通信等领域。常见的圆极化天线包括螺旋天线、微带天线和十字交叉的对称振子天线等。其中螺旋天线也属于行波天线，能够在宽频带内实现良好的圆极化特性，主要分为平面螺旋天线和圆锥螺旋天线两种形式，其最低工作频点受限于天线最大尺寸的要求，而最高工作频点主要受限于馈电设计和加工精度。相比于平面螺旋天线，圆锥螺旋天线具有较高的辐射效率、较大的功率波束宽度等电性能；但是当工作频段覆盖x波段，甚至ku波段时，圆锥螺旋天线的加工工艺要求和组装过程变得更为复杂困难。因此，探索能够覆盖ku波段并保证优良辐射性能的圆锥螺旋天线的技术方案对于圆锥螺旋天线的实际应用至关重要。

2、在一定的最大尺寸限制下设计圆锥螺旋天线，通常采用优化螺旋线形状的技术，包括将阿基米德螺旋和等角螺旋相结合、将螺旋线弯折环绕等，可以有效地延长电流路径，拓展了低频带宽；同时也会采用添加阻性材料的方法，包括在螺旋线末端焊接电阻元件来损耗末端的反射电流、在螺旋线下方放置吸波材料30来吸收从地板反射的电磁能量，能够改善整个工作频带内的轴比性能。虽然圆锥螺旋天线具有优良的圆极化性能，但是仍然有一些核心问题尚待解决。一方面，由于圆锥螺旋天线的馈电巴伦在对螺旋线馈电的同时，馈电巴伦会和螺旋线产生相互影响，所以会导致天线的辐射性能恶化，具体主要表现为远场方向图不对称，轴比波束宽度明显减小。另一方面，在工作频带的高频处，因为螺旋线的主要辐射区域与地板的距离远大于四分之一个波长，导致从地板反射的电磁能量在远场的部分区域与辐射的电磁能量相抵消，所以远场方向图在这些相抵消的区域会出现明显的凹陷，同时辐射效率也会有所下降。所以，必须要解决这两个主要问题，圆锥螺旋天线才能同时具备宽频带、较大功率波束宽度、较大轴比波束宽度和高辐射效率的性能。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于提供一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，采用带状线转平行双线的馈电巴伦结构，这种馈电巴伦结构不仅可以实现不平衡到平衡馈电的转换和阻抗匹配，而且更重要的是有良好的封闭性，能够有效减少电磁能量的外泄对螺旋线辐射的影响，从而保证了圆锥螺旋天线具有较宽的轴比波束宽度的性能，能够覆盖x波段和ku波段。

2、本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

3、一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，包含辐射结构00、对辐射结构00进行馈电的馈电巴伦结构10和填充吸波材料30的金属腔结构40，所述辐射结构设置于金属腔结构40的上方；所述馈电巴伦结构10竖直放置于金属腔结构40的中心上方，同轴线50穿过所述金属腔结构40的底部与所述馈电巴伦结构相连，其中：

4、所述馈电巴伦结构10包含带状线部分13、过渡部分12和平行双线部分11；所述带状线部分13的两侧是金属化过孔，带状线部分13的下方与同轴线50连接，带状线部分13的上方与所述过渡部分12连接；所述过渡部分12中，将带状线部分的两层地板通过一个金属化过程连接，并将其中一层地板截断，中间的带线是半圆形，绕过所述金属化过孔；所述平行双线部分11的下方与所述过渡部分12连接，平行双线部分11的上方与辐射结构的顶端即螺旋线的顶端连接。

5、较佳地，辐射结构包括了两条螺旋线00，两条螺旋线00关于天线中心轴旋转180°对称沿着圆锥面盘绕，所述螺旋线的末端部分是按照正弦形状进行弯折，弯折的程度逐渐变大。

6、较佳地，两条螺旋线均印制在同一块介质板上，介质板采用一块厚度为0.127mm的rogers-5880材料。

7、较佳地，所述螺旋线的末端部分宽度逐渐变小。

8、较佳地，金属腔结构40中填充的吸波材料30是圆柱形状，吸波材料30的直径与所述金属腔结构40的内径相等，高度与所述金属腔结构40的深度相等；所述吸波材料30的中间位置挖取一个长方体，所述馈电巴伦结构10从所述吸波材料30的挖取位置穿过。

9、较佳地，使用能够用材料参数较为准确表示的损耗材料来替代吸波材料30吸收电磁波。

10、较佳地，所述吸波材料30的上表面的中心位置放置金属圆环20，所述馈电巴伦结构10从所述金属圆环20的中心穿过。

11、较佳地，所述馈电巴伦结构10整体是由两层厚度为0.127mm的rogers-5880材料pcb，中间加一层厚度为0.101mm的半固化片材料粘合在一起。

12、本发明的有益效果在于：

13、一方面，本发明采用了带状线转平行双线的馈电巴伦结构给辐射结构馈电，能够有效减少馈电巴伦与螺旋线之间的相互影响，从而保持具有一个较宽的轴比波束宽度，这种馈电巴伦结构不仅可以实现不平衡到平衡馈电的转换和阻抗匹配，而且更重要的是有良好的封闭性，能够有效减少电磁能量的外泄对螺旋线辐射的影响。

14、另一方面，本发明在金属腔结构上方放置一个金属圆环，在工作频带的高频处可以起到反射电磁波的作用，能够改善高频段的方向图凹陷的问题，同时也提高了高频段的辐射效率，而对低频段的性能影响很小。

15、因此，本发明提供的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线的工作频段能够覆盖x波段和ku波段。

技术特征：

1.一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，包含辐射结构(00)、对辐射结构(00)进行馈电的馈电巴伦结构(10)和填充吸波材料(30)的金属腔结构(40)，所述辐射结构设置于金属腔结构(40)的上方；所述馈电巴伦结构(10)竖直放置于金属腔结构(40)的中心上方，同轴线(50)穿过所述金属腔结构(40)的底部与所述馈电巴伦结构相连，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于所述辐射结构包括了两条螺旋线(00)，两条螺旋线(00)关于天线中心轴旋转180°对称沿着圆锥面盘绕，所述螺旋线的末端部分是按照正弦形状进行弯折，弯折的程度逐渐变大。

3.根据权利要求2所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于两条螺旋线(00)均印制在同一块介质板上，介质板采用一块厚度为0.127mm的rogers-5880材料。

4.根据权利要求2所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于所述螺旋线(00)的末端部分宽度逐渐变小。

5.根据权利要求1所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于金属腔结构(40)中填充的吸波材料(30)是圆柱形状，吸波材料(30)的直径与所述金属腔结构(40)的内径相等，高度与所述金属腔结构(40)的深度相等；所述吸波材料(30)的中间位置挖取一个长方体，所述馈电巴伦结构(10)从所述吸波材料(30)的挖取位置穿过。

6.根据权利要求1所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于使用能够用材料参数较为准确表示的损耗材料来替代吸波材料(30)吸收电磁波。

7.根据权利要求1所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于所述吸波材料(30)的上表面的中心位置放置金属圆环(20)，所述馈电巴伦结构(10)从所述金属圆环(20)的中心穿过。

8.根据权利要求1所述的一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，其特征在于所述馈电巴伦结构(10)整体是由两层厚度为0.127mm的rogers-5880材料pcb，中间加一层厚度为0.101mm的半固化片材料粘合在一起。

技术总结
本发明公开了一种具有良好波束稳定性的圆锥螺旋天线，包含辐射结构、对辐射结构进行馈电的馈电巴伦结构和填充吸波材料的金属腔结构，馈电巴伦结构包含带状线部分、过渡部分和平行双线部分；带状线部分的两侧是金属化过孔，带状线部分的下方与同轴线连接，上方与过渡部分连接；过渡部分中，将带状线部分的两层地板通过一个金属化过程连接，并将其中一层地板截断，中间的带线是半圆形，绕过金属化过孔；平行双线部分的下方与过渡部分连接，上方与辐射结构的顶端连接。本发明实现不平衡到平衡馈电的转换和阻抗匹配，减少电磁能量的外泄对螺旋线辐射的影响，从而保证了圆锥螺旋天线具有较宽的轴比波束宽度的性能。

技术研发人员：张海辉,李安,谢光驰,吴世鸣,刘旭,屈世伟,丛榕
受保护的技术使用者：中国航空无线电电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12