一种基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线

1.本发明涉及一种基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.如今随着社会科技的发展与进步，无线通信技术领域伴随着众多学者前赴后继的努力，从电视、广播再到雷达、卫星，而天线占据着无线通讯领域中不可撼动的重要地位，作为整个通信系统中最前端的组成部分，天线中各个参数的优劣影响着整个通信系统的好坏，对于不同的运用场景，会运用到不同类型的天线，对天线各个性能的指标要求也不尽相同。全球卫星导航系统是近几十年来兴起的重要研究之一，近年来，它在民用领域、军用领域起到越来越重要的作用。各个定位系统中，美国的全球定位系统(gps)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(glonass)、欧盟的伽利略卫星导航系统(galileo)以及中国的北斗卫星导航系统(bds)，这四大全球卫星导航系统是国际委员会公布的四大核心供应商。其中gps是世界上首个建立的全球系统，glonass是全球第二大卫星导航系统，galileo是首个完全民用的卫星导航系统，而北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，在经历近年航空航天以及导航事业的不断进步，北斗卫星导航系统已经实现完全覆盖了东南亚地区。
3.在卫星导航系统中运用的终端天线，主要对天线的增益、驻波比、轴比、尺寸这四个参数进行考量，运用最为广泛的就是微带贴片天线和四臂螺旋天线。微带贴片天线有着结构简单、尺寸小剖面低、馈电简便、相对与四臂螺旋天线有更好的增益，但是缺点也同样明显，带宽窄、损耗大。四臂螺旋天线由于其心性的辐射方向图，有着宽波束，良好的高低仰角圆极化性能的优点，更主要随着1996年印刷式的四臂螺旋天线的出现，使得四臂螺旋天线尺寸大大减小，让四臂螺旋天线便于小型化。
4.基于在光学频段上的表面等离基元(spp)，学者把目光投向了微波和太赫兹领域，通过引入一些特殊的周期性结构，在2004年j.b.pendry团队提出了一种将spp应用在微波和太赫兹频段的理论方案。第二年hibbins团队证明了在金属上设计周期性单元结构方案的可行性。随后，人工表面等离基元(sspp)结构在微波、太赫兹领域不断发展。sspp结构具有低损耗、高束缚、色散特性可调的优势，可以用来解决集成电路中相邻传输线互耦的问题，减小作为传输线所产生的相邻耦合损耗，在设计功分器和移相器时，互耦损耗低，而且其介质损耗极低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了提出基于人工表面等离基元(sspp)结构的四臂螺旋天线，通过sspp结构的高束缚性，来解决馈电网络中相邻传输线互耦的问题，减小相邻耦合损耗，并且sspp结构作为传输线时，其介质损耗极低，让四臂螺旋天线在拥有宽波束时，增大增益和优越的圆极化特性。
6.本发明的目的是这样实现的：包括矩形介质基板101，圆柱形介质基板102，共面波
导馈电结构103，sspp过渡结构由沟槽不断加深的h型sspp单元104和向外张开的金属地面组成105，sspp功分器结构106，sspp传输线107，螺旋线辐射臂108，sspp传输线的过渡结构印刷在矩形介质基板101的下端，与共面波导馈电结构103相连，sspp功分器结构106主路与过渡结构通过sspp传输线107相连，支路连接不同长度的sspp传输线107实现相移，印刷在矩形介质基板101下端，sspp传输线107再通过过渡结构向四臂螺旋天线的四个螺旋辐射臂108馈电，印刷在矩形介质基板101的上端，四臂螺旋天线的四个1/4圈的辐射臂108成90
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旋转，依次印刷在圆柱型介质基板102上，圆柱型介质基板102垂直放置在矩形介质基板101的上端，位于其中心。
7.进一步地，人工表面等离基元结构所构成的全新的馈电网络，以实现功分和移相的功能，实现低损耗传输。
8.进一步地，将人工表面等离基元结构与四臂螺旋天线结合在一起，通过人工表面等离基元结构的优势，提高四臂螺旋天线的辐射效率与圆极化特性。
9.进一步地，本发明采用共面波导馈电结构103，通过共面波导到sspp传输线的sspp过渡结构实现共面波导与sspp传输线之间的阻抗匹配、极化匹配、传播常数匹配。再由sspp功分器结构106实现输入功率的一分四，sspp传输线107由周期单元结构构成，是一种慢波结构，可以实现器件和系统的小型化，此外，sspp结构具有超宽的带宽。通过调节sspp结构的长度，实现相位差，达到四个相位差90
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的端口，而sspp结构所具有的高束缚性，使得sspp功分结构106，sspp移相结构中的传输线邻间耦合损耗极小，实现天线的高效传输，以此增大天线的辐射，最后经过位于矩形介质基板上端的过渡结构馈电到四臂螺旋天线的四个辐射臂108上，由于四个端口产生90
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的相位差，实现稳定的圆极化辐射。在传输过程中由于sspp传输线的极低损耗，提高了天线的效率和圆极化特性。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述的基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线基于sspp结构的一分四功分器和sspp结构长度不同实现的移相部分，传统差分移相器是依靠两条传输线的长度差来实现相移，这样设计的好处在于由共面波导馈电，sspp结构与四臂螺旋天线均可印刷式，大大减小了加工的复杂性，sspp结构作为传输线时，其介质损耗极低，由于其结构是慢波结构，电磁波在可以用来解决集成电路中相邻传输线互耦的问题，减小作为传输线所产生的相邻耦合损耗，在设计功分器和移相器时，互耦损耗低，达到馈电和移相的稳定，保证了天线的效率和圆极化特性。
11.本发明提出的基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线结构，设计新颖，布局紧密，相邻耦合损耗低，调试方便，应用于卫星通讯的终端天线有着更高的精准度。
附图说明
12.图1是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的仰视图；
13.图2是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的俯视图；
14.图3是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的主视图；
15.图4是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的右视图；
16.图5是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的sspp过渡结构；
17.图6是本发明所设计基于人工表面等离基元结构四臂螺旋天线的sspp功分器结构。
具体实施方式
18.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
19.本发明的目的是这样实现的：基于人工表面等离基元sspp结构的四臂螺旋天线主要包括矩形介质基板101，位于基板下端的共面波导馈电结构103，不断增加的h型sspp单元沟槽深度104和向外张开的金属地面105组成而构成的sspp过渡结构，sspp功分器结构106，通过sspp传输线107实现移相，位于圆柱形介质基板102表面的螺旋线辐射臂108，sspp传输线结构为h型sspp单元周期排列，功分器部分与移相器部分均以h型sspp传输线结构为基础组成，使得功分器结构与移相器结构之间的耦合损耗低，并且sspp结构有着易于集成和小型化的优势。螺旋线辐射臂108为四条螺旋圈数1/4圈，顶端开路的螺旋辐射臂。通过sspp结构组成的90
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移相功能，实现四条螺旋辐射臂达到90
°
的馈电相位差，从而辐射圆极化波。
20.所述的共面波导馈电结构103实现输入阻抗50欧姆的阻抗匹配。金属地面和信号传输线之间的小间距可以实现电路的低阻抗，且通过调节该间距可以改变电路的阻抗。并且微带线馈电的损耗相对于共面波导馈电的损耗较大，使用共面波导馈电结构103也是为了提高天线的辐射效率，降低损耗带来的影响，也为后面sspp过渡结构可以更好的调节。
21.所述的sspp过渡结构由不断增加沟槽深度的h型sspp单元104和向外张开的金属地面105组成而构成，金属地面呈曲线向外张开，h型sspp单元沟槽深度变化的幅度与金属地面曲线的幅度不同，使得传播常数可以从较低的共面波导的传播常数逐渐增加到sspp波导的传播常数，并且共面波导传播准横电磁波，而sspp的模式是横磁波。通过这种过渡结构可以实现共面波导与sspp传输线之间的传播常数匹配、极化匹配、阻抗匹配。通过调节h型sspp单元沟槽深度变化的幅度与金属地面曲线的幅度，以达到结构最佳的匹配。
22.所述的sspp功分器结构106和移相部分是由sspp传输线107为设计基础，sspp传输线107是由周期性的h型sspp单元组成，传统的差分移相器是依靠两条传输线的长度差来实现相移，或是在相同长度的情况下通过改变传输线的传播常数来实现相移，以此为基础通过改变sspp传输线107的长度实现等效电路中的电容的改变，实现相位的90
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依次偏移，sspp功分器结构106为平面的y形结构的sspp功率分配器，两条支路也是由h形结构的sspp波导构成，由渐变结构再经过y形结构的sspp功率分配器，从而实现功率的一分四分配。
23.所述的螺旋线辐射臂108是四条相同的1/4圈螺旋辐射臂旋转90
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组成，由于每根的长度为四分之一波长的奇数倍，四条螺旋臂顶端采用开路的形式。由过渡结构向四个辐射臂所传输依次90
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相位差的电磁波，等效于两个相互正交的偶极子天线，实现相互正交耦合产生圆极化波。
24.综上所述，本发明公开了基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线，该天线结构有着全新的馈电传输结构，通过共面波导馈电，使用不断增加的h型sspp单元沟槽深度和向外弯曲扩大的金属地面的sspp过渡结构，将电磁波传输到sspp结构上，调节过渡结构中金属地面的弯曲程度，以达到阻抗、传输常数、极化的匹配。运用sspp功分器结构和由不同长度sspp传输线设计组成的移相结构，使传输的电磁波成相位差90
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的形式，经过过渡结构分别馈向四个1/4圈的螺旋辐射臂，辐射出圆极化波。通过调整sspp传输线的长度尺寸，以及调整h形sspp单元的尺寸，改变其sspp单元的截止频率和色散曲线，使天线达到了良好的圆极化辐射。本发明设计将人工表面等离基元结构与四臂螺旋天线结合在一起，这两种结构都有着可印刷式，可弯曲折叠，易于集成小型化的优点，而且通过人工表面等离基元结构
低损耗的优势进一步提高用于卫星通信的四臂螺旋天线，增加天线的辐射效率以及圆极化特性。综上，本发明提出了基于人工表面等离基元结构的四臂螺旋天线，其包括矩形介质基板、共面波导馈电结构、不断增加的h型sspp单元沟槽深度和向外张开的金属地面组成而构成的sspp过渡结构、sspp功分器结构以及sspp传输线。通过共面波导进行馈电，经过sspp过渡结构实现传播常数、极化、阻抗匹配。由sspp传输线为基础组成的功分器结构和移相结构，经过过渡结构向四个辐射臂依次传输90
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相位差的电磁波，实现圆极化的同时提高天线效率、增益和圆极化特性，进一步提高用于卫星通信的四臂螺旋天线。