基于多重加载结构的四臂螺旋天线的制作方法

1.本发明属于天线技术领域，更进一步涉及螺旋天线中的一种基于多重加载结构的四臂螺旋天线。本发明可用于星地通信系统中作为地面端天线使用。


背景技术：

2.天线是星地通信系统中的重要部件，直接影响到整个系统的性能。因此，对于应用于星地通信系统的天线的研究显得十分重要。用于星地通信的地面端天线需要实现与地面端设备和卫星端设备的通信。地面端天线在与地面端设备进行通信时，主要依靠垂直线极化靠近地面的低仰角信号，天顶信号虽然易于接受和发射，但是对于星地通信中与地面端设备通信的作用不大。为了提高与地面设备通信的可靠性，用于星地通信的天线要具有较高的低仰角增益。因此，如何提高星地通信中地面端天线在与地面端设备通信时的低仰角增益是目前急需解决的第一个技术难题。
3.与此同时，为提高地面端天线与卫星通信的可靠性，用于星地通信的地面端天线还应该具有良好圆极化性能。由于大多数天线的工作环境是去极化环境，天线的极化方式会发生改变，而圆极化天线具有能够接收任意极化电磁波且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线接收的特点，且圆极化天线能够有效抑制多径效应和电离层中产生的法拉第旋转效应。用于星地通信的地面端天线实现圆极化的结构形式通常为四臂螺旋天线，四臂螺旋天线可以形成“心形”的圆极化宽波束方向图，但是如果安装在大安装平台时，天线的圆极化辐射方向图会产生畸变，如：波束宽度变窄导致低仰角增益减小，方向图顶部产生凹陷等。因此，如何减小大安装平台对地面端天线辐射方向图的影响是目前急需解决的第二个技术难题。
4.综上可知，作为应用于星地通信的地面端天线，必须具有较高的与地面设备通信的线极化低仰角增益和与卫星设备通信时能够适应于大安装平台的宽波束圆极化辐射方向图。
5.西安矩阵无线科技有限公司在其申请的专利文献“一种星载小型化双频四臂螺旋天线”(专利申请号：201910883603.3，申请公布号：cn 110611162 a)中公开了一种星载小型化双频四臂螺旋天线。该天线使用一分四馈电网络对四个矩形辐射馈电形成圆极化，通过调节四臂螺旋天线矩形辐射臂的螺距、圈数等参数实现了仰角
±
30
°
处圆极化增益大于0dbic，线极化增益大于
‑
3dbi。该天线存在的不足之处是，仅通过调节四臂螺旋天线矩形辐射臂的螺距、圈数等参数，由于天线的剖面高度和横向尺寸的限制，天线的增益存在物理极限，因此这种方式并不能达到星地通信中地面端天线低仰角处的增益需求。据此，该发明天线存在没有达到星地通信中地面端天线在低仰角处的增益需求的问题。
6.大连海事大学在其申请的专利文献“一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线”(专利申请号：201910563961.6，申请公布号：cn 110247169 a)中公开了一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线。该天线使用一分四馈电网络对四个双带条螺旋臂馈电实现圆极化和双频带特性，通过在天线顶部采用弯曲型辐射臂结构，获得了大于115
°
的半功率波束宽
度。该天线存在的不足之处是，该发明天线安装在大安装平台上时，由于安装平台为金属材料且尺寸太大，因此该发明天线在安装平台的表面会产生很强的耦合电流，原来的辐射场受到大安装平台的影响，原来的宽波束圆极化辐射方向图会产生畸变，存在宽波束圆极化辐射方向图的波束宽度变窄、顶部出现凹陷的问题，导致该发明天线的宽波束圆极化辐射方向图受大安装平台影响较大。据此，该发明天线的宽波束圆极化辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于多重加载结构的四臂螺旋天线，解决现有的四臂螺旋天线作为地面端天线使用时，在低仰角的增益达不到与地面设备通信需求的问题，以及现有的四臂螺旋天线的宽波束圆极化辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题。
8.为了实现上述目的，本发明的思路是，通过在螺旋天线组件周围加载寄生圆环和“帽子形”寄生结构来提高天线在低仰角的增益。寄生圆环和“帽子形”金属结构的垂直部分可以被看作是一个辐射引向器，其表面产生的耦合电流将部分辐射能量引向至宽角方向，从而使天线原宽角方向的辐射能量分布得到增强，水平面附近的低仰角增益增大，解决了现有的四臂螺旋天线作为地面端天线使用时在低仰角的增益达不到与地面设备通信需求的问题。本发明通过在螺旋天线组件的下方加载叠层腔体，叠层腔体扼制了螺旋天线组件在大安装平台表面激励起耦合电流，减小了大安装平台表面的辐射能量，削弱了大安装平台对四臂螺旋天线的宽波束圆极化辐射方向图的影响。据此，本发明解决了现有的四臂螺旋天线的宽波束圆极化辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题。
9.为了实现上述目的，本发明的天线包括双层馈电网络、反射地板、螺旋天线组件和由叠层腔体、寄生圆环和“帽子形”寄生结构组成的多重加载结构；所述四臂螺旋天线安装于平台的正中心；所述叠层腔体为四臂螺旋天线的最外层，叠层腔体的底部从下到上依次焊接金属柱和三层嵌套的腔体；所述寄生圆环设置在螺旋天线组件和“帽子形”寄生结构之间；所述设置在发明天线正中心的“帽子形”寄生结构由印刷在圆柱形介质基板上的垂直圆环部分和水平圆环部分构成。
10.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
11.第一，由于本发明天线加载的寄生圆环和“帽子形”寄生结构，寄生圆环和“帽子形”寄生结构上产生耦合电流，从而将部分辐射能量引向至宽角方向，使得天线原宽角方向的辐射能量分布得到增强，天线水平面附近的低仰角增益增大，由此弥补了现有技术天线的远场方向图在低仰角下增益偏低的不足，解决了现有的四臂螺旋天线作为地面端天线使用时在低仰角的增益达不到与地面设备通信需求的问题，使得本发明的天线在水平面附近的低仰角增益增大，可满足在星地通信中地面端天线与地面设备通信时的低仰角增益需求。
12.第二，由于本发明天线加载的叠层腔体，叠层腔体扼制了螺旋天线组件在大安装平台表面激励起耦合电流，减小了大安装平台表面的辐射能量，削弱了大安装平台对四臂螺旋天线的宽波束辐射方向图的影响，解决了现有的四臂螺旋天线的宽波束辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题，使得本发明天线可适用于大安装平台，可满足星地通信
系统中地面端天线安装在大平台时对宽波束辐射方向图的需求。
附图说明
13.图1为本发明的整体结构示意图；
14.图2为本发明实施例中叠层腔体结构示意图；
15.图3为本发明实施例中寄生圆环和“帽子形”寄生结构示意图；
16.图4为本发明实施例中双层馈电网络和反射地板结构示意图；
17.图5为本发明实施例中螺旋天线组件结构示意图；
18.图6为本发明仿真结果在天线未安装于平台7时的远场辐射方向图；其中，图6(a)为本发明仿真结果在ф＝0
°
面的线极化辐射方向图，图6(b)为本发明仿真结果在ф＝90
°
面的线极化辐射方向图，图6(c)为本发明仿真结果在ф＝0
°
面的圆极化辐射方向图，图6(d)为本发明仿真结果在ф＝90
°
面的圆极化辐射方向图；
19.图7为本发明仿真结果在天线安装于平台7时的远场辐射方向图；其中，图7(a)为本发明仿真结果在ф＝0
°
面的线极化辐射方向图，图7(b)为本发明仿真结果在ф＝90
°
面的线极化辐射方向图，图7(c)为本发明仿真结果在ф＝0
°
面的圆极化辐射方向图，图7(d)为本发明仿真结果在ф＝90
°
面的圆极化辐射方向图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
21.参照图1，对本发明天线的整体结构作进一步的描述。
22.本发明的天线包括叠层腔体1、寄生圆环2、“帽子形”寄生结构3、双层馈电网络4、反射地板5、螺旋天线组件6。所述四臂螺旋天线安装于平台7的正中心。所述叠层腔体1为四臂螺旋天线的最外层，叠层腔体1内部依次设置螺旋天线组件6、寄生圆环2和“帽子形”寄生结构3；所述叠层腔体1、螺旋天线组件6、寄生圆环2和“帽子形”寄生结构3四者的圆心重合；所述叠层腔体1内部刻蚀圆柱形台阶，圆柱形台阶设置反射地板5和双层馈电网络4，反射地板5位于双层馈电网络4的中间；叠层腔体1、寄生圆环2、“帽子形”寄生结构3、反射地板5和平台7的材料均为金属，且五者采用同一金属材料。由于铜具有极好的导电和导热性能，其导电率、传热系数仅次于银，高出所有其他金属，考虑到成本问题，本发明实施例中天线的叠层腔体1、寄生圆环2、“帽子形”寄生结构3、反射地板5和平台7的材料均采用金属铜。
23.参照图2，对本发明天线的叠层腔体1作进一步的描述。
24.所述叠层腔体1的底部15从下到上依次焊接金属柱14和三层嵌套的腔体11、12、13。腔体11的侧壁均匀蚀刻有十二个大小形状相同的凹槽16，腔体11的内部蚀刻有圆柱形台阶用来支撑上层的天线结构。叠层腔体1的高度为45mm～70mm、半径为100mm～120mm、腔体壁厚w1为1mm～4mm，每层腔体间隔d为1mm～4mm，凹槽(16)的高度h1为5mm～15mm、宽度w2为5mm～15mm，圆柱形台阶的高度h2为15mm～30mm，厚度w3为1mm～5mm。本发明实施例中天线的叠层腔体1的高度为60mm、半径为180mm、腔体壁厚w1为2.5mm，每层腔体间隔d为3mm，凹槽16的高度h1为12mm、宽度w2为10mm，圆柱形台阶的高度h2为23.5mm，厚度w3为5mm。
25.参照图3，对本发明天线的寄生圆环2和“帽子形”寄生结构3作进一步的描述。
26.所述寄生圆环2设置在螺旋天线组件6和“帽子形”寄生结构之间，寄生圆环2距双
层馈电网络4的高度为h4，寄生圆环2的宽度w4为2mm～8mm，半径r2为40mm～50mm，距双层馈电网络4的高度为h4为2mm～8mm。所述“帽子形”寄生结构3由印刷在圆柱形介质基板33上的垂直圆环部分31和距双层网络4的高度为h5的水平圆环部分32构成，垂直圆环的半径和水平圆环的内径r1为10mm～20mm，水平圆环的外径r3为30mm～45mm、距双层馈电网络4的高度h5为30mm～40mm。本发明实施例中天线的寄生圆环2的宽度w4为4mm，半径r2为49mm，距双层馈电网络4的高度为h4为5mm，垂直圆环的半径和水平圆环的内径r1为20mm，水平圆环的外径r3为38mm、距双层馈电网络4的高度h5为35mm。
27.参照图4，对本发明天线的双层馈电网络4作进一步的描述。
28.所述双层馈电网络4由位于反射地板5上层的馈电网络41和位于反射地板5下层的馈电网络42组成，馈电网络41印刷在介质基板43的上层，馈电网络42印刷在介质基板44的下层。馈电网络41、42的线宽w6为0.6mm～3mm，馈电网络41的输出端口焊接“叶子形”振子61、62，馈电网络42的输出端口焊接“叶子形”振子63、64。介质基板43和44采用的板材为fr4
‑
epoxy，其相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，介质基板43和44的半径r4为60mm～80mm。通过24个金属化小圆孔47，将介质基板43、44和反射地板5这三个结构固定在一起。本发明实施例中天线的馈电网络41、42的线宽w6为1.5mm，介质基板43和44的半径r4为75mm。
29.参照图5，对本发明天线的螺旋天线组件6作进一步的描述。
30.所述螺旋天线组件6由均匀印刷在圆柱形介质基板65上的四个大小形状相同的“叶子形”振子61、62、63、64组成。圆柱形介质基板65采用的板材为rogers ro4003，其相对介电常数为3.55，损耗正切角为0.0027，圆柱形介质基板65的半径r6为40mm～65mm。本发明实施例中天线的圆柱形介质基板65的半径r6为57mm。
31.下面结合本发明的仿真实验对本发明的效果作进一步的说明。
32.1、仿真以及测试内容：
33.本发明的仿真实验共有两个。其中，仿真实验1为本发明天线未安装于平台7时在0.96ghz、1.024ghz、1.08ghz、1.136ghz、1.224ghz频率处远场辐射方向图的仿真。仿真实验2为本发明天线安装于平台7时在0.96ghz、1.024ghz、1.08ghz、1.136ghz、1.224ghz频率处远场辐射方向图的仿真。远场辐射方向图反应天线的低仰角增益和波束覆盖范围。
34.仿真实验1，利用商业仿真软件hfss_19.0对本发明天线在未安装于平台7时远场辐射方向图进行仿真，结果如图6所示。
35.从图6(a)可见，本发明的仿真实验1中天线在俯仰面ф＝0
°
面仰角0
°
处m1点线极化增益≥
‑
2.1db、m2点线极化增益≥
‑
2.4db，仰角20
°
处m3点线极化增益≥
‑
0.4db、m4点线极化增益≥
‑
1db。从图6(b)可见，本发明的仿真实验1中天线在俯仰面ф＝90
°
面仰角0
°
处m1点线极化增益≥
‑
2db、m2点线极化增益≥
‑
2.7db，仰角20
°
处m3点线极化增益≥
‑
0.5db、m4点线极化增益≥
‑
0.8db。从图6(c)可见，本发明的仿真实验1中天线在俯仰面φ＝0
°
面仰角20
°
处m1点圆极化增益≥
‑
0.5dbic、m2点圆极化增益≥
‑
0.5dbic。从图6(d)可见，本发明的仿真实验1中天线在俯仰面φ＝90
°
面仰角20
°
处m1点圆极化增益≥
‑
0.7dbic、m2点圆极化增益≥
‑
0.5dbic。本发明仿真实验1的仿真结果与现有技术双频四臂螺旋天线(专利申请号：201910883603.3，申请公布号：cn 110611162a)公开的低仰角增益相比，该天线的低仰角增益明显提高，本发明天线的低仰角增益可达到星地通信中地面端天线的低仰角增益需求，解决了现有的四臂螺旋天线作为地面端天线使用时在低仰角的增益达不到与地面设备
通信需求的问题，可满足在星地通信中地面端天线与地面设备通信时的低仰角增益需求。
36.所述现有技术指的是西安矩阵无线科技有限公司在其申请的专利文献“一种星载小型化双频四臂螺旋天线”(专利申请号：201910883603.3，申请公布号：cn 110611162a)中公开的一种星载小型化双频四臂螺旋天线。
37.本发明的仿真实验2是利用商业仿真软件hfss_19.0对本发明的天线在安装于平台7时远场辐射方向图进行仿真，结果如图7所示。
38.从图7(a)可见，本发明的仿真实验2中天线在俯仰面ф＝0
°
面仰角0
°
处m1点线极化增益≥
‑
2.7db、m2点线极化增益≥
‑
2.7db，仰角20
°
处m3点线极化增益≥0.7db、m4点线极化增益≥0.1db。从图7(b)可见，本发明的仿真实验2中天线在俯仰面ф＝90
°
面仰角0
°
处m1线极化增益≥
‑
2.2db、m2点线极化增益≥
‑
2.6db，仰角20
°
处m3点线极化增益≥0.7db、m4点线极化增益≥0db。从图7(c)可见，本发明的仿真实验2中天线在俯仰面ф＝0
°
面仰角20
°
处m1点圆极化增益≥0.2dbic、m2点圆极化增益≥
‑
0.6dbic，仰角53
°
处m3点圆极化增益≥
‑
1.5dbic、m4点圆极化增益≥
‑
0.9dbic。从图7(d)可见，本发明的仿真实验2中天线在俯仰面ф＝90
°
面仰角20
°
处m1点圆极化增益≥0dbic、m2点圆极化增益≥
‑
0.4dbic，仰角53
°
处m3点圆极化增益≥
‑
1.8dbic、m4点圆极化增益≥
‑
1.6dbic。本发明仿真实验2的仿真结果与现有技术一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线(专利申请号：201910563961.6，申请公布号：cn 110247169 a)公开的宽波束辐射方向图相比，该天线在安装于平台7时的宽波束辐射方向图受平台影响较小，本发明天线可适用于大安装平台，解决了现有的四臂螺旋天线的宽波束辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题，可满足星地通信系统中地面端天线安装在大平台时对宽波束辐射方向图要求。
39.所述现有技术指的是大连海事大学在其申请的专利文献“一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线”(专利申请号：201910563961.6，申请公布号：cn 110247169 a)中公开的一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线。
40.本发明仿真中的基于多重加载结构的四臂螺旋天线，与现有技术公开的低仰角增益相比，本发明天线的低仰角增益可达到星地通信中地面端天线的低仰角增益需求，解决了现有的四臂螺旋天线作为地面端天线使用时在低仰角的增益达不到与地面设备通信需求的问题，可满足在星地通信中地面端天线与地面设备通信时的低仰角增益需求。与现有技术公开的宽波束辐射方向图相比，该天线在安装于平台7时的宽波束辐射方向图受平台影响较小，本发明天线可适用于大安装平台，解决了现有的四臂螺旋天线的宽波束辐射方向图存在受大安装平台影响较大的问题，可满足星地通信系统中地面端天线安装在大平台时对宽波束辐射方向图要求。